4.3.4 Регулирование скорости вращения ад введением добавочного эдс в цепи ротора (каскадное регулирование)

Побудительной причиной применения каскадного способа регулирования АД является возможность полезного использования так называемый энергии скольжения присущей этим двигателям.

Расшифруем понятия энергии скольжения. В общем, виде энергетический баланс АМ может быть представлен в виде:

где -электрическая мощность потребляемое АД из сети, которую за вычетом незначительных потерь в статоре можно представить:

- полезная механическая мощность, отдаваемая двигателем механизму, которую можно выразить:

- потери мощности в двигателе

- та часть энергии, которая передается ротору (энергия скольжения).

.

Уравнение энергетического баланса является алгебраическим, т.е. в нем за исключением все члены могут изменить свой знак в зависимости от режима работы ЭП (двигательный, генераторный, все тормозные режимы).

Мощность скольжения у АД в двигательном режиме составляет величину до 18% от .

Применительно к мощным ЭП с АД возможность использования этих 18% представляется весьма привлекающей и перспективной. Очевидно, что такая возможность может быть реализована, только у АД с фазным ротором, у которых энергия скольжения ротора может быть транспортирована либо в питающую электрическую сеть в виде электрической, либо на вал самого двигателя в виде механической. При этом регулирование скорости вращения АД осуществляется посредством введения в цепь ротора так называемой добавочной ЭДС . Со стороны преобразователя в цепи ротора, который называется каскад. Если записать уравнение равновесия для цепи ротора, то оно будет иметь следующий вид:

- напряжение на кольцах ротора

- ЭДС индуцируемое в роторный цепи

- скольжение

- полное сопротивление в цепи ротора

- ток ротора

Решив это уравнение относительно скольжения получим:

С учетом :

Таким образом , можно воздействовать на скольжение и как следствие на .

Классификация схем каскадного регулирования

В общем случае, преобразователь, включенный в цепь ротора, называется каскад, и представляет совокупность 2-х преобразовательных блоков.

- преобразует переменное напряжение на кольцах ротора в постоянное выпрямленное напряжение.

- преобразует постоянное напряжение с выхода в :

а) переменное 3-х фазное напряжение, подключаемое к питающей сети, что даёт возможность транспорта скольжения.

б) постоянное напряжение с выхода в механическую энергию, возвращающуюся на вал регулируемого двигателя. Поэтому по способу преобразования энергии скольжения все каскады можно разделить на 2 вида:

1. электрические

2. электромеханические

Кроме того, в ряде случаев для улучшения показателей каскадного регулирования, примет так называемое комбинированное регулирование, в которых энергия скольжения частично преобразуется в электрическую энергию возвращающуюся в питающую сеть, частично в механическую - отдаваемую на вал двигателя. Структурную схему электрического каскада можно представить следующим образом:

Рис.123 Структурная схема электрического каскада

В электрическом каскаде управляющее воздействие с целью регулирования скорости вращения приводного двигателя вносится в преобразователь . Управляющее воздействия транспортируется через преобразователи и .

Рис.124 Структурная схема электромеханического каскада

Управляющее воздействия вносится в преобразующий элемент и соответственно транспортируется через в виде добавочной ЭДС

Технические средства, с помощью которых происходит реализация каскадного регулирования.

По этому признаку различают:

1. вентильные каскады. В этом случае преобразователи и представляют из себя статические полупроводниковые устройства.

-выпрямитель

- инвертор

2. вентильно-машинные каскады. В этом случае один из преобразователей является статическим, а 2-й либо электрошинным, либо сочетанием статического преобразователя с электромашинным либо сочетанием 2-х электрических машин.

Т.о. классификация каскадных схем регулирования может быть представлена следующим образом:

1. электрический вентильный каскад

электрический вентильно-машинный каскад

3. электромеханический вентильно-машинный каскад.

4. комбинированный вентильно-машинный каскад

Для того чтобы представить себе вид регулировочных механических характеристик при каскадном регулировании, запишем уравнение для тока на выходе преобразователя (выпрямителя).

где -ЭДС наведенная в фазе обмотки ротора при (ротор неподвижен).

- добавочное, ЭДС вводимая на кольца ротора со стороны каскада

- потери напряжения в каскаде.

- эквивалентное, активное сопротивление каскада. Если пренебречь потерями напряжения в каскаде , а так же учесть, что ЭДС на кольцах неподвижного ротора практически равно напряжению на обмотках ротора , то для режима идеализированного Х.Х.двигателя, т.е. при отсутствии нагрузки на его валу, когда ток в ОР , а следовательно и , получим:

В этом выражении: - так называемое скольжение каскада в режиме идеализированного х.х. Отсюда получим выражение для угловой скорости при каскадном регулировании:

- угловая скорость идеального Х.Х. каскада

- угловая скорость идеального Х.Х. двигателя – угловая скорость ВМП – (синхронная скорость).

С учётом этого семейство регулировочных характеристик при каскадном регулировании будет иметь вид:

Рис.125 Семейство регулировочных характеристик при каскадном регулировании

Показатели качества:

1. напряжение: однозонное вниз

2. плавность: зависит от вида каскада, в любом случае высокая

3. допустимая нагрузка на валу: регулирование при постоянном моменте

4. стабильность: высокая, но ниже при частотном регулировании

5. энергетические показатели:

КПД всегда высокое: зависит от вида каскада, но в целом не высокий

6. диапазон регулирования: теоретически может быть любым, но практически не превышает 2:1 Т.к. в дальнейшем при увеличении диапазона существенно ухудшаются массогабаритные показатели.

Т.о. главным преимуществом каскадного регулирования является экономия электрической энергии, поэтому целесообразность использования таких ЭП определяется мощностью. Поэтому каскадное регулирование применяют в ЭП менее 1.5 МВт.