Двигатели с фазным ротором — регулирование координат

Дополнительные возможности управлять координатами асинхронного электропривода появляются, если ротор выполнен не короткозамкнутым, а фазным, т.е. если его обмотка состоит из катушек, похожих на ста-торные, соединенных между собой и выведенных на кольца, по которым скользят щетки, связанные с внешними устройствами. Схематически трехфазная машина с фазным ротором показана на рис. 4.10, а. Фазный ротор обеспечивает дополнительный канал, по которому можно воздействовать на двигатель, — в этом его очевидное достоинство, но очевидна и плата за него: существенное усложнение конструкции, большая стоимость, наличие скользящих контактов. Именно эти негативные особенности привели к тому, что в общем объеме производства асинхронные двигатели с фазным ротором составляют небольшую долю.

К щеткам на кольцах в цепи ротора можно подключать как пассивные цепи, например резисторы, так и активные, содержащие источники энергии; последняя возможность широко используется в электроприводах большой мощности (сотни — тысячи киловатт).

4.5.1. Реостатное регулирование

Как и в электроприводе постоянного тока, реостатное регулирование — это простейший способ регулирования: в каждую фазу ротора включают одинаковые резисторы с сопротивлением (рис. 4.10, б). Тогда общее активное сопротивление фазы ротора составит а искусственные характеристики приобретут вид, представленный на рис. 4.10, в, г; предельное значение тока ротора и критиче-

ский момент в соответствии с (4.8а) и (4.11) не изменяются, а в соответствии с (4.12) растет пропорционально

Последнее соотношение для критического скольжения, очевидно, выполняется и для скольжения при любом а реостатные механические характеристики похожи на таковые для двигателя постоянного тока. Показатели реостатного регулирования скорости асинхронных двигателей с фазным ротором практически те же, что у электропривода постоянного тока.

1. Регулирование однозонное — вниз от основной скорости.

2. Диапазон регулирования стабильность скорости низкая.

3. Регулирование ступенчатое. В целях устранения этого недостатка
иногда используются схемы, в которых роторный ток выпрямляется

и сглаживается реактором, а резистор, включаемый за выпрямителем, шунтируется управляемым ключом (транзистором) с управляемой скважностью, благодаря чему достигается плавность регулирования, а при использовании обратных связей формируются жесткие характеристики.

4. Допустимая нагрузка поскольку и при мало
меняющемся

5. С энергетической точки зрения, реостатное регулирование в асин
хронном электроприводе столь же неэффективно, как и в электроприводе
постоянного тока, — потери в роторной цепи при пропорцио
нальны скольжению:

а распределение этих потерь определяется в соответствии с (4.18) соотношением сопротивлений — собственно в роторной обмотке рассеивается мощность а в дополнительных резисторах —

мощность

6. Капитальные затраты, как и в электроприводе постоянного тока,
сравнительно невелики.

4.5.2. Каскадные схемы

Интересные перспективы открывает включение в роторную цепь активных элементов, при появляется возможность не потерять, а истратить полезно мощность скольжения отдав ее либо в сеть, либо на вал двигателя. Электроприводы такого типа называют каскадами или каскадными схемами.

Простейшая схема машинно-вентильного каскада, иллюстрирующая общую идею, показана на рис. 4.11, а. Электродвижущая сила машины постоянного тока Е должна быть направлена встречно ЭДС выпрямителя в цепи ротора что достигается соответствующей полярностью машины. Тогда

где — эквивалентное активное сопротивление контура выпрямитель — якорь машины.

Поскольку то до некоторого скольжения

определяемого уровнем ЭДС машины постоянного тока (рис. 4.11, б), ток а следовательно, = 0 и машина не развивает момента. При

ток начнет расти в соответствии с приведенным выше уравнением,

вызывая увеличение момента (рис. 4.11, в). Мощность

возвратится в сеть (рис. 4.11, г); знаки приближенного равенства показывают, что мы не учитываем электрических потерь в сопротивлениях контура выпрямитель — якорь и механических в машинах

Меняя ток возбуждения машины а следовательно, величину можно изменять скольжение, при котором начинается рост тока т.е. регулировать скорость (рис. 4.11, в).

Иногда вместо двух дополнительных электрических машин, возвращающих энергию скольжения в сеть, используется один статический преобразователь—инвертор, ведомый сетью.

Энергия скольжения не обязательно должна возвращаться в сеть, есть каскады, в которых она отдается машиной на вал главного асинхронного двигателя.

Каскадные схемы используются при очень больших мощностях (тысячи киловатт) и малых диапазонах регулирования —

4.5.3. Электропривод с машиной двойного питания

Каскадные схемы предполагали управление координатами в цепи выпрямленного тока ротора. Вместе с тем, существует и другая возможность — включение в цепь ротора ПЧ (рис. 4.12, а). Структуры такого типа называют электроприводами с машинами двойного питания.

Поскольку при преобразовании энергии поля должны быть неподвижны одно относительно другого, должны выдерживаться следующие соотношения скоростей и частот:

где — угловые скорости поля статора и поля ротора относительно

соответственно статора и ротора; — частоты напряжения статора и ротора; — частота, соответствующая угловой скорости ротора.

Из (4.19) и (4.20) следуют богатые возможности управления скоростью ротора со: действительно, фиксируя , т.е. , и управляя , можно получать любые и теоретически в неограниченном диапазоне (рис. 4.12, б); знаком «-» для и обозначено изменение чередования фаз, чему соответствует изменение направления вращения поля.

Если частота задается независимо от механические характеристики представляются горизонтальными линиями (рис. 4.12, б), и в этом смысле машина подобна синхронной, которую мы рассмотрим далее. При изменении момента нагрузки меняется угол между осями полей статора и ротора — как бы по-разному растягивается «магнитная пружина». Наибольший момент определяется предельной силой магнитной связи статора и ротора — при превышении моментом нагрузки этого значения нарушаются условия (4.19), «магнитная пружина» рвется, поля перестают быть неподвижными одно относительно другого, машина не развивает среднего момента и либо останавливается при реактивном либо вращается со скоростью, определяемой активным это, разумеется, аварийный режим.

Возможно и другое построение системы: частота может быть связана со скоростью ротора. В этом случае характеристики будут похожи на характеристики машины постоянного тока, будут иметь наклон, который можно трактовать как скольжение; видом связи можно формировать характеристики любого вида.

В рассматриваемой системе очень многообразны энергетические режимы — они определяются соотношением частот и относительным

направлением вращения полей, направлением действия (знаком) момента сопротивления. На рис. 4.12, б в качестве примера приведена диаграмма, иллюстрирующая режимы на одной из характеристик в предположении, что потери малы и не учитываются.