Collegamento in cascata di macchine elettriche
La cascata di macchine elettriche è un sistema per regolare uniformemente la velocità di rotazione di un motore a induzione introducendo una fem esterna nel suo circuito del rotore, diretta in linea o opposta alla fem del rotore e con una frequenza pari alla frequenza del rotore.
Tale accoppiamento macchina veniva spesso utilizzato in precedenza per controllare la velocità di motori asincroni di media e grande potenza di azionamenti elettrici irreversibili, ad esempio per laminatoi irreversibili, grandi ventilatori, ventilatori da miniera, pompe centrifughe, ecc.
Tutti i collegamenti in cascata delle macchine elettriche possono essere suddivisi in 2 categorie principali: impianti a potenza costante P = const e impianti a coppia costante M = const.
Gli impianti a potenza costante sono caratterizzati dal fatto che una delle macchine inserite in cascata con motore asincrono principale è articolata meccanicamente con l'albero di tale motore (Fig. 1, a). Nelle installazioni successive, non esiste tale connessione meccanica e invece di una macchina aggiuntiva, devono essere utilizzate almeno due macchine (Fig. 1, b). Una di queste macchine è un collettore CC o CA.
Riso. 1. Diagrammi schematici delle installazioni in cascata: a — potenza costante (P = const), b — coppia costante (M = const).
Per creare un'installazione in cascata di un motore a induzione con una macchina CC, è necessario includere un convertitore di energia da scorrimento a CC tra il rotore del motore a induzione e l'armatura della macchina CC.
La cascata cambia anche a seconda del tipo di convertitore. In linea di principio qualsiasi modifica della cascata può essere effettuata sia secondo lo schema P = const che secondo lo schema M = const.
In una cascata di convertitori ad armatura singola (fig. 2), la regolazione della velocità in funzione delle condizioni operative del convertitore è limitata al range dal 5 al 45%.
Riso. 2. Diagramma schematico di una cascata di motori a induzione e di una macchina in corrente continua con un convertitore a singola armatura (P = const).
La direzione dei flussi di energia in fig. 1, aeb e nella fig. 2 è mostrato per il caso di regolazione della velocità di un motore a induzione nella zona subsincrona quando la macchina collettore ausiliaria funziona in modalità motore. L'energia di scorrimento viene trasmessa all'albero o al nastro.
Il funzionamento di un motore asincrono regolabile con una velocità superiore a quella sincrona è possibile solo con una doppia alimentazione: dal lato dello statore e dal lato del rotore (Fig. 1, b). In questo caso, il convertitore funziona in modalità generatore.
I ventilatori della galleria del vento sono tra i meccanismi più potenti che richiedono azionamenti elettrici con un'ampia gamma di controllo della velocità. Alcune gallerie del vento richiedono azionamenti per ventilatori elettrici da 20.000, 40.000 kW con regolazione della velocità nell'intervallo da 1:8 a 1:10 e mantenimento della velocità impostata con una precisione di frazioni di %.Una delle soluzioni a questo problema è stata l'utilizzo del collegamento in cascata delle macchine elettriche.
La grande potenza del dispositivo controllato e l'ampio campo di variazione della frequenza del rotore del motore asincrono rendevano impossibile l'utilizzo di un convertitore ad indotto singolo o l'utilizzo di un sistema generatore-motore, poiché una macchina a corrente continua non può essere alimentata con potenza in un unico indotto di -superiore a 7000 kW. In tali installazioni, come convertitore viene utilizzata un'unità a due macchine costituita da un motore sincrono e un generatore CC (Fig. 3).
Un diagramma a cascata di un motore a induzione e una macchina DC con un convertitore motore-generatore
La cascata è costituita da un motore principale a induzione a velocità variabile con rotore avvolto, un'unità a velocità variabile, un'unità a velocità costante. La regolazione della velocità viene eseguita modificando l'eccitazione.