2. Принципы частотного управления асинхронным двигателем (ад)

С появлением в середине 90гг. надежных и эффективных полупроводниковых преобразователей частоты стало возможным плавное управление частотой вращения ротора асинхронного двигателя. Более того, с развитием процессоров, стало возможным т.н. векторное управление асинхронным двигателем, при котором двигатель при любой нагрузке и требуемой частоте вращения вала работает в оптимальном или близком к оптимальному режиме.

Цель частотного управления - задание требуемой частоты вращения ротора посредством задания частоты и величины трехфазного питающего напряжения асинхронного двигателя с тем, чтобы он разгонялся и функционировал в режиме, близком к оптимальному. Степень оптимальности определяется законом регулирования и моделью двигателя, которая используется при выработке управляющих двигателем воздействий, частоты и напряжения.

Существуют следующие виды управления асинхронным двигателем:

• жесткое скалярное управление;

• скалярное управление с обратной связью по частоте;

• векторное управление.

Изменение только частоты питающей сети, без изменения величины напряжения, приводит к пропорциональному изменению частоты вращения вала и обратно пропорциональному изменению критического вращающего момента

Увеличение частоты питающего напряжения по отношению к номинальной приводит к пропорциональному увеличению частоты вращения вала и к уменьшению критического момента и наоборот, уменьшение частоты сети увеличивает момент вращения, но одновременно увеличивает и токи ротора, что может вывести двигатель из строя.

n,

об\мин

2000

1750

1500

1250

1000

750

500

250

0

f=60Гц. Uф=220в

f=50Гц. Uф=220в

f=40Гц. Uф=220в

0 5 10 15 20 25 30 М, Н*м

Вращающий момент

Рисунок 3 - Естественные механические характеристики модели асинхронного двигателя при разных значениях частоты питающего напряжения и одинаковом, номинальном напряжении.

Как видно на рисунке 3, уменьшение частоты сети, а следовательно и частоты вращения вала, приводит к увеличению критического момента. Это было бы не так и плохо, если бы не сопровождалось значительным увеличением токов ротора и статора, которое может вывести двигатель из строя. Поэтому на пониженных частотах для сохранения значения критического момента вращения на двигатель подают пониженное напряжение.

Простейший способ это понижать напряжение пропорционально уменьшению частоты, т.е. поддерживать соотношение напряжения и частоты постоянным, равным этому соотношению для номинальных значений. Это так называемое пропорциональное скалярное управление.

n,

об\мин

2000

1750

1500

1250

1000

750

500

250

0

f=60Гц. Uф=220в

f=50Гц. Uф=220в

f=40Гц. Uф=176в

f=25Гц. Uф=110в

f=12.5Гц. Uф=55в

0 5 10 15 20 25 30 М, Н*м

Вращающий момент

Рисунок 4 - Семейство механических характеристик модели асинхронного двигателя, снятое при различных частотах и напряжениях сети

Рисунок 5 - Эквивалентная схема обмотки двигателя, R1-активное сопротивление обмотки, Xh -реактивное сопротивление обмотки

Для поддержания постоянной величины критического момента при частотах сети, меньших номинальной f = 50 Гц, необходимо уменьшать напряжение питания для уменьшения токов. При этом увеличивается пусковой момент, что, естественно, очень хорошо. Повышать напряжение с увеличением частоты выше номинальной нельзя во избежание перегрузки двигателя и поэтому критический момент уменьшается с ростом частоты, ограничивая тем самым величину этого роста.

Для достаточно точного задания частоты вращения ротора, ввиду пологости рабочих участков механических характеристик, необходимо задавать частоту сети несколько большую, чем требуемая частота вращения, задавать соответствующее напряжение и учитывать величину момента сопротивления на валу.

Из рисунка 4 следует, что возможности увеличения частоты вращения ротора выше номинального значения увеличением частоты напряжения весьма ограничены падением вращающего момента. Частоту вращения можно повысить не более чем вдвое по сравнению с номинальной. При этом невозможно одновременно повышать напряжение выше номинального. Т.о. диапазон управления частотой асинхронного двигателя может расширяться в основном лишь в сторону уменьшения частоты.

Минимальная частота, на которой можно осуществить прямой запуск асинхронного двигателя, ограничена снизу величиной в 5 - 10% от номинальной для конкретного двигателя, поскольку при меньших частотах, несмотря на номинальные токи, пусковой вращающий момент очень мал и уменьшается с уменьшением частоты.

Тем не менее, современные алгоритмы управления частотой асинхронного двигателя позволяют достигать диапазона 1 : 10, 1 : 100 и шире.