Kaskadowe łączenie maszyn elektrycznych
Kaskadowanie maszyn elektrycznych to system płynnej regulacji prędkości obrotowej silnika indukcyjnego poprzez wprowadzenie zewnętrznego emf do jego obwodu wirnika, skierowanego zgodnie lub przeciwnie do emf wirnika i z częstotliwością równą częstotliwości wirnika.
Takie sprzęgło maszynowe było wcześniej często stosowane do sterowania prędkością silników asynchronicznych średniej i dużej mocy napędów elektrycznych nieodwracalnych, np. młynów nieodwracalnych, dużych wentylatorów, wentylatorów kopalnianych, pomp odśrodkowych itp.
Wszystkie połączenia kaskadowe maszyn elektrycznych można podzielić na 2 główne kategorie: instalacje o stałej mocy P = const oraz instalacje o stałym momencie obrotowym M = const.
Instalacje o stałej mocy charakteryzują się tym, że jedna z maszyn wchodzących w skład kaskady z głównym silnikiem asynchronicznym jest mechanicznie połączona przegubowo z wałem tego silnika (ryc. 1, a). W instalacjach słupowych nie ma takiego połączenia mechanicznego, a zamiast jednej dodatkowej maszyny należy zastosować co najmniej dwie maszyny (rys. 1, b). Jedną z tych maszyn jest kolektor prądu stałego lub przemiennego.
Ryż. 1. Schematy ideowe instalacji kaskadowych: a — stała moc (P = const), b — stały moment obrotowy (M = const).
Aby stworzyć instalację kaskadową silnika indukcyjnego z maszyną prądu stałego, konieczne jest zastosowanie przetwornicy energii typu slip-to-DC pomiędzy wirnikiem silnika indukcyjnego a twornikiem maszyny prądu stałego.
Kaskada zmienia się również w zależności od typu konwertera. W zasadzie dowolną modyfikację kaskady można przeprowadzić zarówno według schematu P = const, jak i według schematu M = const.
W kaskadzie przetwornicy jednoarmatowej (rys. 2) regulacja prędkości w zależności od warunków pracy przetwornicy jest ograniczona w zakresie od 5 do 45%.
Ryż. 2. Schemat ideowy kaskady silnika indukcyjnego i maszyny prądu stałego z przetwornicą jednotwornikową (P = const).
Kierunek przepływu energii na ryc. 1, aib oraz na ryc. 2 pokazano dla przypadku regulacji prędkości silnika indukcyjnego w strefie podsynchronicznej, gdy pomocnicza maszyna kolektora pracuje w trybie silnikowym. Energia ślizgu jest przenoszona na wał lub wstęgę.
Praca regulowanego silnika asynchronicznego z prędkością wyższą niż synchroniczna jest możliwa tylko przy podwójnym zasilaniu: od strony stojana i od strony wirnika (ryc. 1, b). W takim przypadku konwerter pracuje w trybie generatora.
Wentylatory w tunelu aerodynamicznym należą do najpotężniejszych mechanizmów wymagających napędów elektrycznych z szerokim zakresem regulacji prędkości. Niektóre tunele aerodynamiczne wymagają napędów wentylatorów elektrycznych o mocy 20 000, 40 000 kW z regulacją prędkości w zakresie od 1:8 do 1:10 i utrzymywaniem zadanej prędkości z dokładnością do ułamków procenta.Jednym z rozwiązań tego problemu było zastosowanie kaskadowego łączenia maszyn elektrycznych.
Duża moc sterowanego urządzenia oraz szeroki zakres zmian częstotliwości wirnika silnika indukcyjnego uniemożliwiły zastosowanie przetwornicy jednotwornikowej lub zastosowanie układu prądnica-silnik, gdyż maszyny prądu stałego nie można zasilać w pojedynczej armaturze o ponad 7000 kW. W takich instalacjach jako przetwornicę stosuje się zespół dwumaszynowy składający się z silnika synchronicznego i prądnicy prądu stałego (rys. 3).
Schemat kaskadowy silnika indukcyjnego i maszyny prądu stałego z przetwornicą silnik-generator
Kaskada składa się z głównego silnika indukcyjnego o zmiennej prędkości z uzwojonym wirnikiem, jednostki o zmiennej prędkości, jednostki o stałej prędkości. Regulacja prędkości odbywa się poprzez zmianę wzbudzenia.