Вентильные каскадные электроприводы могут работать в различных режимах: в двигательном при скорости ниже синхронной, противовключения, в генераторном при сверхсинхронной скорости, в режиме динамического торможения, в генераторном при скорости ниже синхронной, в двигательном при сверхсинхронной скорости.
Каждый режим работы привода характеризуется диаграммой распределения потоков мощности (энергии) и не зависит от электрической схемы соединений каскадного электропривода.
Рассмотрим энергетические диаграммы режимов работы вентильного каскадного электропривода с промежуточной цепью постоянного тока (рис. 32).
Двигательный режим со скоростью ниже синхронной. При работе вентильного каскадного привода в двигательном режиме со скоростью ниже синхронной энергетическая диаграмма имеет вид, показанный на рис. 36, а. Мощность, потребляемая двигателем из сети Рпотр, за исключением потерь в статоре ΔРст, передается ротору двигателя как электромагнитная мощность Рэм. При работе двигателя со скольжением 0<s<l мощность скольжения Pэм-s трансформируется в ротор и расходуется в цепи ротора, другая же часть Рэм (1—s) затрачивается на совершение механической работы. В двигательном режиме асинхронная машина всегда потребляет энергию из сети, пропорциональную синхронной скорости вращения, поэтому, пренебрегая потерями в статоре и дополнительными, можно записать
(3.20)
Механическая мощность на валу двигателя пропорциональна скорости привода
(3.21)
Разность между потребляемой и отдаваемой полезной мощностью представляет собой мощность скольжения, которая должна быть израсходована в роторной цепи
(3.22)
При реостатном, дроссельном управлении и некоторых других энергия скольжения рассеивается в виде потерь, значительно снижая экономичность привода. В каскадных же приводах повышение экономичности достигается путем полезного использования энергии скольжения. В рассматриваемом режиме мощность скольжения, за исключением потерь в роторе ΔΡрот, вентилях ΔΡΒ и трансформаторе ΔΡтр, возвращается (рекуперируется) в сеть
(3.23)
Таким образом, при работе в схеме вентильного каскада асинхронный двигатель потребляет из сети больше энергии, чем необходимо для совершения полезной работы, и остаток частично возвращает в сеть. Рекуперация энергии скольжения происходит следующим образом: электрическая энергия переменного тока ротора преобразуется вентилями В (см. рис. 32) в энергию постоянного тока, которая затем преобразуется работающими в инверторном режиме вентилями И в энергию переменного тока с частотой 50 Гц. Эта энергия через трансформатор Т возвращается в питающую сеть.
Затраченная приводом мощность будет меньше, чем потребляемая асинхронным двигателем, на величину Pрек, т. е.
Рис. 36. Энергетические диаграммы вентильных каскадов
а — при работе ниже синхронной скорости; б — в режиме противовключения; в — в режиме генераторного торможения; г — в режиме динамического торможения
Благодаря этому свойству вентильного каскада КПД асинхронного привода существенно не снижается при работе с пониженными скоростями вращения.
Двигательный режим при скорости ниже синхронной является основным режимом работы вентильного каскадного привода. При этом режиме поток энергии в статорной цепи направлен от сети к двигателю, а в роторной — от двигателя в сеть через вентили В и И и согласующий трансформатор. Вентили В могут быть неуправляемыми, а И — управляемые.
Режим противовключения. Торможение двигателя в режиме противовключения происходит в двух случаях: если при сохранении прежнего направления вращения ротора изменяется направление вращения магнитного поля статора и если ротор двигателя принудительно вращается в направлении, противоположном направлению вращения поля статора, например, при спуске груза. Таким образом, ротор двигателя и магнитный поток статора вращаются в противоположные стороны и, следовательно, скольжение двигателя больше единицы. Энергетически асинхронный двигатель в этом случае работает как генератор, преобразуя кинетическую энергию вращающихся масс или потенциальную энергию опускающегося груза в электрическую энергию, расходуемую во вторичной цепи двигателя. Одновременно асинхронный двигатель работает как трансформатор, потребляя энергию из сети и также расходуя ее в цепи ротора.
В схеме вентильного каскадного электропривода механическая энергия торможения и электрическая энергия, потребляемая из сети, не теряются в виде потерь в роторной цепи, а рекуперируются через трансформатор инвертора в сеть (см. рис. 32). Энергетическая диаграмма вентильного каскадного электропривода, работающего в режиме противовключения, показана на рис. 36, б. Мощность, потребляемая двигателем из сети Рпотр, за исключением потерь в статоре, передается в виде электромагнитной мощности Рэм ротору, в котором выделяется в виде электрической. Механическая энергия, сообщаемая рабочим органом валу двигателя (кинетическая энергия вращающихся масс или потенциальная энергия опускающегося груза), превращается в роторе в электрическую энергию. Таким образом, роторную цепь двигателя в режиме противовключения можно рассматривать как вторичную цепь трансформатора и как нагрузочную цепь генератора. Суммарная мощность, трансформируемая Рэм и генерируемая Рэм (s—1), за исключением потерь в каскаде, возвращается обратно в сеть. Для режима противовключения по аналогии с двигательным режимом можно записать:
(3.24)
Итак, в режиме противовключения поток энергии в статорной цепи направлен от сети к двигателю, а в роторной — от двигателя в сеть. Вентили роторной группы работают в выпрямительном режиме и могут быть неуправляемыми, а вентили трансформаторной группы И управляемые и работают в инверторном режиме.
Особенностью режима противовключения является то, что скольжение двигателя больше единицы и противо-ЭДС в цепи ротора возрастает почти в два раза по сравнению с двигательным режимом. Это приводит к увеличению мощности трансформатора и вентильного преобразователя.
Режим генераторного торможения при сверхсинхронной скорости. Режим генераторного торможения характеризуется тем, что при сохранении направления вращения поля статора и ротора двигателя активная составляющая тока ротора меняет свой знак на обратный по сравнению с двигательным режимом, а это соответствует изменению знака момента на валу двигателя.
В вентильном каскадном электроприводе генераторное торможение возможно при скоростях как выше синхронной, так и ниже синхронной. Генераторный режим при скорости выше синхронной осуществим во всех схемах каскадных электроприводов, а генераторное торможение при скорости ниже синхронной реализуется только в схемах с управляемыми роторной и трансформаторной группами вентилей. Для рассматриваемой схемы вентильного каскадного электропривода (см. рис. 32) возможна реализация генераторного торможения только при сверхсинхронной скорости, поскольку роторная группа вентилей В неуправляемая.
Энергетическая диаграмма, характеризующая режим генераторного торможения, показана на рис. 36, в. Механическая мощность Рмех, поступающая на вал двигателя со стороны механизма, преобразуется в электрическую. Часть этой мощности — мощность скольжения — генерируется в обмотках ротора, преобразуется вентильным преобразователем и за вычетом потерь поступает в питающую сеть. Другая часть, пропорциональная синхронной скорости двигателя, отдается в статорную цепь двигателя в виде электромагнитной мощности Рэм и, за вычетом потерь в статоре, рекуперируется в сеть. Таким образом, вся механическая энергия, поступающая с вала механизма, отдается, за исключением потерь, в питающую сеть. Для рассматриваемого режима справедливо равенство
(3.25)
При работе в режиме генераторного торможения асинхронный двигатель вырабатывает только активную мощность, при этом для создания вращающегося магнитного поля статора и компенсации потоков рассеяния необходима циркуляция реактивной мощности в статорной цепи двигателя.
В рассматриваемом режиме энергия в роторной цепи передается от двигателя в сеть, при этом роторная группа вентилей работает в выпрямительном режиме и может быть неуправляемой. Трансформаторная группа вентилей работает в инверторном режиме. Поток активной энергии в статорной цепи направлен от двигателя в сеть.
Режим динамического торможения. В каскадном электроприводе для реализации этого режима обмотка статора двигателя отключается от сети трехфазного переменного тока и подключается к источнику постоянного тока. Постоянный ток, проходящий по обмоткам статора, создаем неподвижный в пространстве магнитный поток и при вращении ротора в его обмотках наводится ЭДС переменной частоты, зависящей от скорости двигателя:
Асинхронный двигатель в этом случае работает как неявнополюсный синхронный генератор, который преобразует механическую энергию, поступающую с вала механизма, в электрическую энергию переменного тока, частота которого зависит от скорости вращения ротора. Выработанная энергия преобразуется вентильным преобразователем и отдается в сеть. Мощность, расходуемая на возбуждение, теряется в обмотках статора. Мощность скольжения в режиме динамического торможения
Направление потока энергии в роторной цепи — от ротора в сеть, поэтому роторная группа вентилей В (см. рис. 32) может быть неуправляемой и работает в режиме выпрямления. Режим динамического торможения в каскадных электроприводах протекает с рекуперацией энергии в сеть, т. е. механическая энергия, за вычетом потерь, отдается в питающую сеть. Энергетическая диаграмма приведена на рис. 36, а.
Генераторный режим при скорости ниже синхронной и двигательный режим при сверхсинхронной скорости в схеме вентильного каскадного электропривода, показанного на рис. 32, реализованы быть не могут. Это объясняется тем, что для реализации этих режимов роторная группа вентилей должна быть управляемой и управляться с частотой тока ротора.
