Каскадное соединение электрическим машин - система для плавного регулирования скорости вращения асинхронного двигателя путем введения в цепь его ротора внешней эдс, направленной согласно или встречно с эдс ротора и имеющей частоту, равную частоте ротора.
Такое соединение машин раньше часто применялось для регулирования скорости асинхронных двигателей средней и большой мощности нереверсивных электроприводов, например, для нереверсивных прокатных станов, крупных воздуходувок, шахтных вентиляторов, центробежных насосов и др.
Все каскадные соединения электрических машин могут быть разделены на 2 основные категории: установки постоянной мощности P=const и установки постоянного момента M=const.
Установки постоянной мощности характеризуются тем, что одна из машин, включенных в каскад с главным асинхронным двигателем, сочленяется механически с валом этого двигателя (рис. 1,а). В установках пост, момента такой механической связи нет и вместо одной добавочной машины обязательно применение по крайней мере двух машин (рис. 1,б). Одна из этих машин — коллекторная постоянного или переменного тока.
Рис. 1. Принципиальные схемы каскадных установок: а — постоянной мощности (P = const), б — постоянного момента (М = const).
Для создания каскадной установки асинхронного двигателя с машиной постоянного тока необходимо между ротором асинхронного двигателя и якорем машины постоянного тока включить преобразователь энергии скольжения в энергию постоянного тока.
В зависимости от типа преобразователя изменяется и каскад. Принципиально каждая модификация каскада может быть выполнена как по схеме P=const, так и по схеме M=const.
В каскаде с одноякорным преобразователем (рис. 2) регулирование скорости по условиям работы преобразователя ограничивается пределами от 5 до 45%.
Рис. 2. Принципиальная схема каскада асинхронного двигателя и машины постоянного тока с одноякорным преобразователем (Р = const).
Направление потоков энергии на рис. 1,а и б и на рис. 2 показано для случая регулирования скорости асинхронного двигателя в зоне ниже синхронной, когда вспомогательная коллекторная машина работает в режиме двигателя. Энергия скольжения передается на вал или в сеть.
Работа регулируемого асинхронного двигателя на скорости выше синхронной возможна только при двойном питании: со стороны статора и со стороны ротора (рис. 1, б). При этом преобразователь работает в режиме генератора.
К самым мощным механизмам, требующим электроприводов с широким диапазоном регулирования скорости, относятся вентиляторы аэродинамических труб. Некоторые аэродинамические трубы требуют электроприводов для вентиляторов 20000, 40000 кВт с регулированием скорости в пределах 1:8 до 1:10 и поддержанием заданной скорости с точностью до долей %. Одним из решений такой задачи явилось применение каскадного соединения электрических машин.
Большая мощность регулируемого агрегата и широкие пределы изменения частоты ротора асинхронного двигателя сделали невозможным использование одноякорного преобразователя или применение системы генератор — двигатель, т. к. машина постоянного тока не может быть выполнена с мощностью в одном якоре выше 7000 кВт. В подобных установках в качестве преобразователя используется двухмашинный агрегат, состоящий из синхронного двигателя и генератора пост, тока (рис. 3).
Схема каскада асинхронного двигателя и машины постоянного тока с двигатель-генераторным преобразователем
Каскад состоит: из главного регулируемого асинхронного двигателя с фазным ротором, агрегата переменной скорости, агрегата постоянной скорости. Регулирование скорости осуществляется изменением возбуждения.