В промышленности находит применение привод с неглубоким диапазоном регулирования частоты вращения (3:2:1), т. е. так называемый вентильный каскад, построенный на базе асинхронного электродвигателя и представляющий собой систему регулируемого электропривода переменного тока.
В отличие от дроссельного и частотного управления при каскадном соединении асинхронный электродвигатель подключается к питающей сети переменного трехфазного тока. Это является большим достоинством данной системы привода перед первыми двумя. Она также имеет более высокий КПД по сравнению со всеми другими системами. Это преимущество можно объяснить тем, что в каскадных системах преобразуется только энергия скольжения, в то время как в приводах постоянного тока и системах с частотным регулированием преобразованию подлежит все количество энергии, потребляемое двигателем.
По сравнению с приводами дроссельного и реостатного управления, а также с муфтами скольжения, в которых энергия скольжения теряется ими в сопротивлениях, достоинства вентильного каскада в энергетическом отношении еще более высоки. Преобразователи в роторной цепи этих систем служат лишь для регулирования частоты вращения. Привод, построенный с применением асинхронного двигателя, позволяет создать высокоскоростные регулируемые системы большой мощности. Такие системы обеспечивают плавное регулирование частоты вращения и момента, не требуют большого количества силовой и контактной аппаратуры.
Рис. 1. Схемы каскадов: а — вентильного, б — вентильно-машинного, в — однокорпусного вентильно-машинного
Вентильный каскад имеет также малую мощность управления, легко поддается автоматизации, обладает хорошими динамическими свойствами.
Необходимо отметить, что в вентильном каскаде преобразователь частоты роторной цепи не обеспечивает циркуляции реактивной мощности для создания вращающегося магнитного потока асинхронного двигателя, так как этот поток создается реактивной мощностью, поступающей в статорную цепь.
Кроме того, преобразователь, используемый в вентильном каскаде, рассчитан лишь на мощность, пропорциональную данному диапазону регулирования. В то же время в системах с частотным регулированием преобразователь участвует в создании магнитного потока и при проектировании его необходимо учитывать полную мощность привода. Простейшей схемой вентильного каскада является схема с промежуточной цепью постоянного тока и вентильным преобразователем ЭДС.
В схемах вентильного (рис. а) и вентильно-машинного каскадов (рис. б) ток ротора выпрямляется по трехфазной мостовой схеме, а в цепь выпрямленного тока вводится добавочная ЭДС в первом случае от вентильного преобразователя, а во втором — от машины постоянного тока. Схема, изображенная на рис. а, состоит из асинхронного двигателя М с фазным ротором.
В цепь ротора включен вентильный преобразователь V1, в котором выпрямляется переменный ток ротора. С вентильным преобразователем через дроссель L включен инвертор (вентильный преобразователь V2), являющийся источником добавочной ЭДС. Вентильный преобразователь V2 собран с трансформатором Т по трехфазной нулевой схеме. Он обычно применяется в приводах небольшой мощности.
В этой схеме функции двух вентильных преобразователей четко разграничены. Здесь вентили VI выполняют функции выпрямителей, преобразуя переменный ток ротора с частотой скольжения в постоянный. Вентили V2 преобразуют выпрямленный ток ротора в переменный ток с частотой сети, т. е. они работают в режиме зависимого инвертора.
В вентильно-машинном каскаде (рис. б) преобразование тока ротора, выпрямленного вентильным преобразователем V1, в переменный ток с частотой сети происходит при помощи машины постоянного тока G и синхронного генератора G1, В этой схеме роль инвертора выполняют машины G и G1.
Разработаны различные схемы асинхронных вентильных каскадов, но основной и наиболее распространенной является схема, приведенная на рис.а. Представляют интерес однокорпусные агрегаты АМВК-13-4 мощностью 13 кВт. В одном корпусе такого каскада помещены асинхронный двигатель с фазным ротором, машина постоянного тока и роторная группа неуправляемых вентилей.
Агрегат представляет собой двигатель переменного тока с плавным регулированием частоты вращения. Эти агрегаты способны преодолевать значительные перегрузки. Каскад имеет номинальную частоту вращения 1400 мин-1, напряжение питания 380 В и диапазон регулирования 1400—650 мин-1 без переключения статорной цепи.
При переключении же обмотки статора со звезды на треугольник диапазон регулирования составит 1400—400 мин-1, момент вращения при этом постоянен, масса агрегата 360 кг, напряжение возбуждения 220 В. Агрегат имеет защищенное обдуваемое исполнение. Эти агрегаты применимы в приводах механизмов подачи.
Схематическое устройство однокорпусного вентильно-машинного каскада показано на рис. в. На одном валу смонтирован ротор 5 асинхронного электродвигателя и якорь 4 машины постоянного тока. В общей стальной цилиндрической станине 6 смонтированы статор 7 асинхронного электродвигателя и полюсы 8 машины постоянного тока. Коллектор 9 и контактные кольца 10, щетки коллектора 3 и щетки 1 асинхронного двигателя соединены через кремниевые выпрямители 2. Для отвода тепла из машины, особенно при пониженной частоте вращения, в роторе и в станине имеются специальные вентиляционные каналы.
Мостовой выпрямитель, подающий выпрямленное напряжение ротора в якорь машины постоянного тока, собран из шести вентилей ВК-50-1,5 с обратным напряжением 150 В. Надо полагать, что вентильные каскады найдут широкое применение для приводов вентиляторов эксгаустерных и компрессорных установок, т. е. там, где вопросы сокращения расхода энергии имеют важное значение.
Наряду с описанными достоинствами рассмотренных систем необходимо отметить и их недостатки: высокую стоимость преобразователей вентильного и вентильно-машинного привода, низкий коэффициент мощности, низкий КПД по сравнению с асинхронным двигателем в результате того, что работа привода на максимальной частоте вращения ведется без замыкания накоротко обмотки ротора двигателя, низкую перегрузочную способность асинхронного двигателя, малое использование приводного двигателя (примерно на 5—7%), потребность в специальных пусковых средствах, обеспечивающих пусковые характеристики при неглубоком регулировании частоты вращения.