Napęd elektryczny z asynchroniczną kaskadą zaworów

W przemyśle stosuje się napęd z płytkim zakresem regulacji prędkości (3:2:1), czyli tzw. kaskadę zaworową, zbudowaną na bazie asynchronicznego silnika elektrycznego i stanowiącą układ regulowanego napędu zmiennego.

W przeciwieństwie do regulacji przepustnicy i częstotliwości, przy połączeniu kaskadowym, asynchroniczny silnik elektryczny jest podłączony do trójfazowej sieci prądu przemiennego. To duża przewaga tego układu napędowego nad dwoma pierwszymi. Ma również wyższą wydajność niż wszystkie inne systemy. Tę zaletę można wytłumaczyć faktem, że w układach kaskadowych przetwarzana jest tylko energia poślizgu, podczas gdy w napędach prądu stałego i układach o zmiennej częstotliwości konwersji podlega cała ilość energii pobieranej przez silnik.

W porównaniu do siłowników przepustnicy i reostatu, a także sprzęgieł poślizgowych, gdzie energia poślizgu jest przez nie tracona na oporach, zalety kaskady zaworów pod względem energetycznym są jeszcze większe.Przetwornice w obwodzie wirnika tych układów służą jedynie do regulacji prędkości obrotowej. Napęd zbudowany z wykorzystaniem silnika asynchronicznego pozwala na tworzenie szybkich układów o zmiennej mocy. Takie układy zapewniają płynną kontrolę prędkości i momentu obrotowego, nie wymagają dużej liczby urządzeń zasilających i stykowych.

Ryż. 1. Schematy kaskad: a — zawór, b — automat zaworowy, c — automat jednokorpusowy

Kaskada zaworów ma również małą moc sterowania, jest łatwa do zautomatyzowania i ma dobre właściwości dynamiczne.

Należy zauważyć, że w kaskadzie zaworów przetwornica częstotliwości obwodu wirnika nie cyrkuluje mocy biernej w celu wytworzenia wirującego strumienia magnetycznego silnika indukcyjnego, ponieważ strumień ten jest wytwarzany przez moc bierną wchodzącą do obwodu stojana.

Dodatkowo przetwornica zastosowana w stopniu zaworowym jest przystosowana tylko do mocy proporcjonalnej do zadanego zakresu regulacji. Jednocześnie w układach z regulacją częstotliwości przetwornica bierze udział w tworzeniu strumienia magnetycznego, a przy jej projektowaniu należy uwzględnić pełną moc napędu. Najprostszym obwodem stopnia zaworowego jest obwód z pośrednim obwodem prądu stałego i zaworowym przetwornikiem EMF.

W obwodach zaworowych (rys. A) i kaskadach zaworowo-maszynowych (rys. B) prąd wirnika jest prostowany zgodnie z trójfazowym obwodem mostkowym, a dodatkowa siła elektromotoryczna jest wprowadzana do obwodu prądu wyprostowanego w pierwszej obudowie przez konwertera zaworów, aw drugim — z maszyny prądu stałego. Obwód pokazany na ryc. a, składa się z silnika indukcyjnego M z wirnikiem fazowym.

W obwodzie wirnika znajduje się przetwornica zaworowa V1, w której prostowany jest prąd przemienny wirnika.W przypadku przetwornicy zaworowej inwerter (przetwornica zaworowa V2) jest załączany przez przepustnicę L, która jest źródłem dodatkowego pola elektromagnetycznego. Przetwornica zaworowa V2 jest montowana z transformatorem T zgodnie z trójfazowym obwodem neutralnym. Zwykle używany w małych urządzeniach.

Na tym schemacie wyraźnie nakreślono funkcje dwóch przetworników zaworów.Tutaj zawory VI działają jak prostowniki, przekształcając prąd przemienny wirnika częstotliwości poślizgu na prąd stały. Zawory V2 przekształcają prąd stojącego wirnika na prąd przemienny o częstotliwości sieci, to znaczy działają w trybie zależnego falownika.

W kaskadzie zawór-maszyna (rys. C) konwersja prądu wirnika wyprostowanego przez przetwornicę zaworową V1 na prąd przemienny o częstotliwości sieci odbywa się za pomocą maszyny prądu stałego G i generatora synchronicznego G1 . W tym obwodzie rolę falownika pełnią maszyny G i G1.

Opracowano różne schematy asynchronicznych kaskad zaworów, ale podstawowy i najbardziej powszechny schemat pokazano na ryc. Interesujące są pojedyncze obudowy AMVK-13-4 o mocy 13 kW. W jednym przypadku na takiej kaskadzie umieszcza się silnik indukcyjny z wirnikiem fazowym, maszynę prądu stałego i grupę wirników niesterowanych zaworów.

Urządzenie jest silnikiem AC z bezstopniową regulacją prędkości. Urządzenia te mogą pokonać znaczne przeciążenia. Kaskada ma nominalną prędkość obrotową 1400 min-1, napięcie zasilania 380 V i zakres regulacji 1400-650 min-1 bez przełączania obwodu stojana.

Podczas przełączania uzwojenia stojana z gwiazdy na trójkąt zakres regulacji wyniesie 1400-400 min-1, moment obrotowy jest stały, masa jednostki wynosi 360 kg, napięcie wzbudzenia wynosi 220 V.Urządzenie posiada zabezpieczoną dmuchaną konstrukcję. Jednostki te mają zastosowanie w jednostkach napędowych.

Schematyczny układ kaskady zawór-maszyna z jednym korpusem pokazano na ryc. w. Wirnik 5 asynchronicznego silnika elektrycznego i twornik 4 maszyny prądu stałego są osadzone na jednym wale. We wspólnym stalowym cylindrycznym łożu 6 zamontowany jest stojan 7 asynchronicznego silnika elektrycznego i bieguny 8 maszyny prądu stałego. Kolektor 9 i pierścienie ślizgowe 10, szczotki kolektora 3 i szczotki 1 silnika asynchronicznego są połączone przez silikonowe prostowniki 2. W celu odprowadzania ciepła z maszyny, zwłaszcza przy zmniejszonych obrotach, w wirniku iw ramie znajdują się specjalne kanały wentylacyjne.

Prostownik mostkowy dostarczający wyprostowane napięcie wirnika do twornika maszyny prądu stałego składa się z sześciu zaworów VK-50-1,5 o napięciu wstecznym 150 V., gdzie niezbędna jest oszczędność energii.

Oprócz opisanych zalet rozważanych układów należy zwrócić uwagę na ich wady: wysoki koszt przetwornic zaworowych i napędu nastawnik-maszyna, niski współczynnik mocy, niska sprawność w porównaniu z silnikiem asynchronicznym, wynikająca z faktu, że napęd pracuje z maksymalną prędkością bez zwarcia silnika uzwojenia wirnika, mała przeciążalność silnika indukcyjnego, niskie zużycie silnika napędowego (o około 5-7%), konieczność stosowania specjalnych środków rozruchowych zapewniających charakterystykę rozruchu przy płytkiej regulacji prędkości .