Каскад с асинхронным двигателем, работающим в режиме двойного питания

Если статор АД питать от сети с неизменными U₁ и f₁, а в ротор его подавать напряжение U₂, от преобразователя частоты ПЧ с изменяемой амплитудой и частотой, то можно регулировать скорость АД как в сторону нижесинхронной, так и в сторону вышесинхронной. Такой электрический каскад называется каскадом с АД, работающим в режиме машины двойного питания, а сам двигатель принято называть машиной двойного питания МДП. Схема такого каскада изображена на рис. 5.14.1. В качестве ПЧ в этом каскаде должен использоваться НПЧ, поскольку он обладает двухсторонней проводимостью и обеспечивает бесконтактное чередование фаз, т.е. преобразователь, способный управлять потоком энергии в цепи ротора как в прямом, так и в обратном направлении.

Уравнение механической характеристики АД при его работе в режиме МДП имеет вид:

,

где - угол между осями полей статора и ротора, φ₁₂ – угол сдвига по фазе между векторами U₁ и U₂¢.

U₂¢ - напряжение, подводимое к обмотке ротора от ПЧ.

Момент двигателя содержит две составляющие, одна из которых (первая) соответствует естественной механической характеристике АД, а другая – синхронному режиму, обусловленному напряжением U₂¢, подводимым к цепи ротора, т.е. обусловлена взаимодействием возбуждаемого напряжением U₂¢ ротора с магнитным полем статора.

Скорость ротора двигателя при его управлении изменением частоты f₂ напряжения U₂¢

, где

w_0эл - скорость поля статора;

w_2эл - скорость поля ротора.

При f₂=const скорость ротора в пределах допустимой нагрузки неизменна. Такой режим работы МДП называется синхронным, и механические характеристики имеют такой же вид, как у синхронного двигателя. При f₂=0, что означает питание обмотки ротора постоянным током, АД в установившемся режиме работает с синхронной скоростью, как обычная СМ.

Регулирование скорости МДП осуществляется изменением f₂ и U₂¢. Для снижения w необходимо увеличить f₂ и поворотом вектора U₂¢ в соответствующем направлении обеспечить отрицательный электромагнитный момент, что приведет к замедлению электропривода. Скорость будет снижаться до тех пор, пока М не станет равным М_c.

Для увеличения w надо уменьшить f₂ и установить соответствующее значение величины и направление вектора U₂¢. При этом увеличится ток I₂ ротора, возрастет электромагнитный момент М, привод начнет ускоряться до угловой скорости, при которой наступит установившийся режим.

При одинаковом порядке следования фаз напряжений U₁ и U₂¢, реактивной нагрузке и f₂>0 магнитные поля статора и ротора имеют одинаковое направление вращения. Двигатель работает в двигательном режиме со скоростью, w<w₀. Мощность потребляемая из сети Р₁ (если в количестве Р₁(1-S)), идет на вал рабочей машины, а мощность скольжения P_S= P₁·S – в ПЧ, откуда возвращается в сеть (см. рис. 5.14.2“а”).

.

При активном моменте сопротивления и f₂>0 (w₂>0) машина работает в генераторном режиме с нижесинхронной скоростью. В этом случае направление потоков мощности меняется на противоположное (рис. 5.14.2“б”).

Этот режим можно получить и путем изменения вводимого в ротор напряжения и f₂<f₁. Механические характеристики для рассматриваемой области частот (следовательно, угловых скоростей) и режимов изображены на рис. 5.14.3.

Изменив порядок следования фаз напряжения U₂¢ путем изменения знака напряжения управления U_у,и ПЧ, можно заставить машину работать с вышесинхронной скоростью. При этом поле ротора будет вращаться в направлении, противоположном полю статора. Скорость двигателя станет равной

w=w_0ЭЛ+w_2ЭЛ>w₀, или .

При реактивном М_c и сверхсинхронной скорости машина работает в двигательном режиме, потребляя мощность из сети статором и ротором (через ПЧ), отдавая ее на вал РМ (рис. 5.14.4“а”).

.

Момент на валу машины при номинальной нагрузке:

.

При активном М_c машина работает в генераторном режиме со сверхсинхронной скоростью. Мощность Р₂, поступающая с вала РМ передается в сеть через статорную и роторную цепи (рис. 5.14.4“б”):

.

Механические характеристики для рассматриваемой области частот (угловых скоростей) и режимов выглядят так, как показано на рисунке 5.14.5.

Из всего рассмотренного вытекает, что в режиме МДП свойства каскада близки к свойствам синхронного двигателя, причем при f₂=0 они совпадают. Специфика проявляется только в наличии асинхронной составляющей момента, в возможности работы при скоростях, задаваемых воздействием на напряжение управления частотой U_у.f и в возбуждении ротора переменным током угловой частоты скольжения w₂.

Отметим, что вследствие упругой связи между полями статора и ротора МДП как и СД склонен к качаниям, вызывающим неустойчивую работу каскада. Это обстоятельство ограничивает область применения синхронного режима работы каскада установками, в которых требуется изменение скорости в пределах ±(20¸30)%w₀.

При необходимости регулирования скорости в более широких пределах путем введения обратных связей по положению ротора обеспечивают зависимость f₂ от скорости двигателя, аналогичную зависимости частоты при асинхронном режиме работы. В этом случае механические характеристики каскада имеют конечную жесткость, определяемую настройкой обратных связей, а режим работы каскада называется асинхронным. В этом режиме МДП может устойчиво работать с любым сдвигом по фазе между ЭДС статора и напряжением сети (кроме 0 и 180°).

Диапазон регулирования скорости МДП определяется частотой на выходе преобразователя. В обычном НПЧ с естественной коммутацией вентилей, наибольшая выходная частота не превышает 1,5f_1Н частоты питающей сети. Поэтому минимальная скорость при регулировании МДП вниз от синхронной составляет 0,5ω₀, и вверх – 1,5ω₀. Т.о. общий диапазон регулирования не превышает (2-3)%.

Применение НЧП в каскадах с МДП особенно выгодно при мощности двигателя в сотни и тысячи кВт. Экономичность мощных каскадных установок с МДП определяется, кроме всего прочего, высоким h НПЧ, относительно небольшими его габаритами, массой и стоимостью.

Недостатком таких каскадов является необходимость реостатного пуска двигателя до низшей скорости в диапазоне регулирования. Правда, этот недостаток не имеет существенного значения для механизмов, работающих длительно без частых пусков.

Каскадные схемы и МДП можно встретить в мощных электроприводах газоперекачивающих станций с большим диапазоном регулирования, в устройствах электродвижения судов и пр.