6.5.2. Двигатель двойного питания

В отличие от схем вентильного каскада, где поток энергии скольжения направлен только в одну сторону – от ротора двигателя к инвертору и далее в питающую сеть, в схемах двигателя двойного питания в цепь ротора включается преобразователь (рис.6.20), обеспечивающий двухсторонний обмен энергией, как от ротора двигателя в питающую сеть, так и от сети в обмотки ротора асинхронного двигателя. Таким преобразователем является преобразователь частоты с непосредственной связью. При этом добавочная э.д.с., вводимая в цепь ротора, может быть направлена как против э.д.с. ротора, согласно с ней или под некоторым углом (π-δ). В общем случае

.

Ток ротора будет определяться из уравнения равновесия напряжений в контуре ротора

.

Активная и реактивная составляющие тока ротора будут равны:

(6.26)

В этих формулах: Е₂, Е_2н – текущая и номинальная (при s=1) э.д.с. ротора;

.

Активная составляющая тока ротора определяет момент двигателя М и механическую мощность двигателя

.

Реактивная составляющая тока ротора определяет реактивную мощность, циркулирующую в статорной и роторной цепях двигателя

.

Равенства (6.26) показывают, что, регулируя величину и фазу добавочного напряжения , вводимого в цепь ротора, можно управлять активной и реактивной мощностями двигателя. Из этого положения также следует, что при соответствующих значенияхU₂ и δ активная составляющая тока ротора может быть отрицательна при положительных скольжениях s>0 и положительна при отрицательных скольжениях s<0. Это означает, что в системе двойного питания асинхронный двигатель может работать в несвойственных ему в обычных схемах включения режимах: генераторном при скорости ниже синхронной и двигательном при скорости выше синхронной. Энергетические диаграммы для указанных режимов приведены на рис.6.21,а.

Направление потока энергии в режиме генераторного торможения при скорости ниже синхронной противоположно тому, какое было в двигательном режиме (см. рис.6.16).

Мощность торможения Р_мех в рассматриваемом случае недостаточна для создания электромагнитной мощности Р_эм, поэтому из сети через трансформатор и роторный преобразователь забирается и направляется в ротор двигателя недостающая мощность, пропорциональная скольжению . Сумма механической мощности, поступающей с вала, и мощность скольжения

образует электромагнитную мощность, которая рекуперируется в питающую сеть. Отдаваемая в сеть мощность равна разности рекуперируемой мощности, отдаваемой по цепи статора, и мощности, забираемой со стороны трансформатора .

В двигательном режиме при скорости выше синхронной (рис.6.21,б) в роторную цепь двигателя добавляется мощность скольжения, забираемая из сети со стороны трансформатора. Она складывается с электромагнитной мощностью, поступающей в двигатель со стороны статора. Сумма этих мощностей преобразуется в механическую мощность на валу двигателя, обеспечивая работу двигателя с моментом М при скорости выше синхронной

.

Заметим, что, несмотря на то, что скольжение в этом случае отрицательно, двигатель развивает двигательный момент.

В обоих рассматриваемых режимах преобразователь частоты работает таким образом, что энергия от трансформатора поступает в ротор двигателя, т.е. двигатель питается как со стороны статора, так и ротора.

Поскольку частота f₂ э.д.с. и тока ротора определяется скольжением двигателя , то и частота добавочной э.д.с.U_доб, вводимой в цепь ротора, должна совпадать с частотой э.д.с. ротора и изменяться при изменении скольжения двигателя.

Максимально возможный диапазон регулирования скорости вниз и вверх от синхронной определяется двумя параметрами - возможными максимальными значениями частоты f₂ и напряжения U_{доб.макс} на выходе преобразователя частоты, служащего для питания цепи ротора. Максимальный диапазон регулирования скорости будет равен

.

Абсолютное значение максимального скольжения равно

.

Так как преобразователь частоты с непосредственной связью, как правило, обеспечивает регулирование частоты в пределах 20 Гц (при частоте питания 50 Гц), чему соответствует максимальное скольжение , то максимальный диапазон регулирования скорости двигателя двойного питания будет равен

.

Регулирование скорости в схеме двигателя двойного питания производится изменением величины и знака относительного значения добавочной э.д.с. , при этом частота на выходе преобразователя автоматически поддерживается равной частоте тока ротора. Механические характеристики двигателя двойного питания приε=0,2 приведены на рис.6.22. Пуск двигателя до значения минимальной рабочей скорости производится так же, как и в схемах вентильного каскада (см. рис.6.19).

Основным достоинством схем вентильного каскада и двигателей двойного питания является высокий кпд, сохраняющийся при регулировании скорости в заданном диапазоне. Поскольку эти системы регулируемого асинхронного привода имеют ограниченный диапазон регулирования, как правило, не выше 2:1, то эти системы применяются, главным образом, для привода мощных (выше 250 кВт) турбомеханизмов: вентиляторов, центробежных насосов и других машин.