5.2. Понятие векторного регулирования электромагнитного момента в электрической машине переменного тока

Электромагнитный момент, развиваемый машиной переменного тока, можно представить как результат взаимодействия магнитных полей, создаваемых токами, протекающими по обмоткам статора и ротора. На рис. 5.3 а изображен в разрезе синхронный двигатель с нанесенными на ротор и статор токовыми нагрузками и соответствующими им потокосцеплениями _Р и _С, которые изображены в виде пространственных векторов. Здесь же нанесена система прямоугольных координат, жестко связанная с ротором (оси d и q). При этом одна из осей (ось d) направлена вдоль оси катушки ротора, а другая (ось q) – поперек. Когда на трехфазную обмотку статора подано трехфазное напряжение, токи проводников обмотки статора создают вращающееся магнитное поле, которое увлекает за собой ротор.

На рис. 5.3 б изобра­жена упрощенная век­торная диаграмма, по­строенная в предполо­жении, что в двигателе нет потоков рассеяния и отсутствует падение напряжения в цепи обмоток статора. Вектор результирующего пото­косцепления двигателя (потокосцепления в воз­душном зазоре)  равен геометрической сумме составляющих _Р и _С. Составляющая _Р на­правлена по оси d. Направление и величина вектора _С определяются мгновенными значениями токов фазных обмоток статора.

В большинстве современных высококачественных регулируемых электро­приводов переменного тока реализован принцип "векторного регулирования" электромагнитного момента [14, 18]. В основу этого принципа положено известное из теории электрических машин выражение для электромагнитного момента:

M = k | _Р  _С | = k | _Р   | = k | _С   |. (5.1)

Здесь k = 0,5 m / L_ – коэффициент пропорциональности; m – число фаз двигателя; L_ – индуктивность току намагничивания.

Если сопоставить (5.1) с векторной диаграммой потокосцеплений в электри­ческой машине (рис. 5.3 б), то площадь S_ , ограниченная векторами-слагаемыми _Р и _С и вектором-суммой  (площадь моментного треугольника в электри­ческой машине), пропорциональна величине электромагнитного момента, т.е.

М = 2 k S_ . (5.1а)

С учетом сказанного можно так сформулировать первое правило векторного регулирования электромагнитного момента: чтобы косвенным способом регулировать величину электромагнитного момента в электрической машине, достаточно каким-либо способом изменить площадь моментного треугольника, т. е. векторного треугольника, соответствующего выражению

 = _Р + _С .

 Синхронная машина, поперечный разрез которой изображен на рис. 5.3 а, работает в двигательном режиме. Укажите направление вращения ротора (по часовой стрелке или против). Чем Вы при этом руководствуетесь?

В регулируемом электроприводе переменного тока наблюдается избыточность управляющих воздействий, поэтому одно и то же значение момента и скорости электродвигателя, требуемое по условиям ведения технологического процесса, может быть реализовано при разных электромагнитных состояниях электродвигателя, соответствующих моментным треугольникам различной формы.

Казалось бы, оптимизация режимов электропривода должна производиться на основе технико-экономического критерия, в котором с определенными весовыми коэффициентами должны входить массогабаритные и стоимостные показатели электропривода, суммарные потери в электродвигателе и преобразователе частоты, потребление реактивной мощности от питающей сети.

Однако неоднозначность возможных режимов электропривода, скудность исходной информации заставляют отказываться от реализации строго оптимальных режимов, а отдавать предпочтение режимам более простым. Правда, последние по своим технико-экономическим показателям часто оказываются несущественно хуже оптимальных. Например, в синхронных частотнорегу­лируемых электроприводах часто указывают на режим [4, 14, 18], когда во всем диапазоне нагрузок обеспечивается работа электродвигателя, во-первых, с магнитным потоком в зазоре не выше номинального значения и, во-вторых, – с коэффициентом мощности, равным или близким единице.

На векторной диаграмме первое условие означает выполнение неравенства

Ф < Ф_Н,

где Ф_Н  величина номинального потока электродвигателя. Этим условием исключается режим насыщения магнитной системы электродвигателя.

Чтобы учесть второе условие, достроим векторную диаграмму (рис. 5.3 б) векторами фазных тока I_С и напряжения на статоре U_С. Здесь вектор тока I_С параллелен вектору _С , а вектор U_С (при неучете падения напряжения на статорной обмотке электродвигателя) – ортогонален вектору  потокосцепления в зазоре. Коэффициент мощности на зажимах статора электродвигателя равен единице, если угол  между векторами I_С и U_С равен нулю. Это будет выполняться, если угол между векторами _С и  прямой.

В зависимости от конкретных условий можно принять и обосновать другие законы возможного управления электромагнитными координатами электродвигателя, которым соответствуют иные требования к форме его векторной диаграммы.

Подытоживая сказанное, можно сформулировать второе правило векторного регулирования электромагнитного момента: чтобы при регулировании момента электродвигателя добиться оптимальных режимов работы электропривода, необходимо в соответствии с выбранными критериями оптимизации соблюдать (с помощью системы регулирования) определенную форму моментного треугольника этого электродвигателя.

Графическая интерпретация выражения (5.1) оказывается весьма удобной при построении регулируемых электроприводов переменного тока. Естественно, в этом случае система регулирования электромагнитного момента получается многомерной. Существуют разные пути ее реализации, которые удобнее классифицировать по способам возможного построения моментного треугольника в электрической машине.

Во-первых, треугольник можно построить по трем сторонам. Технически это означает реализацию внутренней подсистемы косвенного регулирования электромагнитного момента как совокупности трех параллельно работающих систем регулирования величин потокосцеплений _Р, _С и . При этом сигнал задания желаемой величины момента может поступать с выхода регулятора скорости РС (рис. 5. 2), а требуемый закон изменения величин _Р, _С и   формироваться соответствующими нелинейными блоками, включенными между регулятором РС и соответствующими контурами регулирования величин потокосцеплений.

Чтобы в общем случае выполнить контур регулирования какой-либо величины, необходимо ее уметь измерять (иметь соответствующий датчик) и в функции этой величины воздействовать на регулятор. Под этим углом зрения рассмотрим условия реализуемости системы косвенного регулирования момента с выходными координатами _Р, _С и .

В электрической машине существует только результирующий поток Ф, а составляющие потокосцеплений _Р и _С вводятся искусственно для понимания механизма образования и регулирования магнитного потока в электрической машине. Здесь наблюдается определенная аналогия с методом, например, контурных токов в цепях постоянного тока, когда контурный ток (или его составляющая) в какой-либо ветви электрической схемы может и не совпадать с истинным током этой ветви.

По этой причине первый контур регулирования нельзя выполнить как контур прямого регулирования величины _Р, так как эта величина физически не существует. Но вместо составляющей потокосцепления _Р можно регулировать величину соответствующей ей намагничивающей силы F_Р, а еще удобнее – величину тока в обмотке ротора. Аналогично можно поступить и с составляющей потокосцепления _С.

Третья составляющая – потокосцепление  в зазоре машины – поддается прямому измерению, однако существующие средства измерения магнитного потока в зазоре электрической машины (например, с помощью датчиков ЭДС Холла или иным путем), применительно к общепромышленным электроприводам технически неудобны и несовершенны, что заставляет отказываться от систем регулирования момента поддержанием трех величин составляющих потокосцеплений в электрической машине. Правда, системы электропривода, реализующие этот способ формирования электромагнитного момента, существуют, например, общеизвестная система Transvektor [18, 19].

Во-вторых, моментный треугольник можно построить по двум сторонам и углу между ними (т.е. по величинам _Р и _С и углу между этими векторами). Примером высококачественной реализации данного способа является синхронный частотнорегулируемый электропривод цементной мельницы, разработанный фирмой ВВС [20], положительный опыт которого неоднократно использовался при разработке электроприводов переменного тока [4, 14].

Строить все три названные подсистемы по замкнутому принципу совсем необязательно, можно, например, с целью упрощения электропривода систему регулирования угла между векторами _Р и _С выполнять как разомкнутую (т.е. без обратных связей). Тогда заданный угол между этими векторами устанавливается при наладке электропривода и затем при работе не изменяется и не регулируется. Этому случаю соответствует весьма широкий класс частотнотоковых систем формирования электромагнитного момента [2]. Они оказались весьма эффективными, а в станочных и специальных следящих электроприводах переменного тока получили почти монопольное распространение.

Наконец, в-третьих, моментный треугольник можно строить по величине тока ротора I_Р и проекциям вектора тока статора на продольную и поперечную оси электрической машины (оси d и q). Этот способ, далеко не самый простой в схемной реализации, положен в основу частотнорегулируемых синхронных электроприводов большой мощности с высокими требованиями к качеству динамики и энергетики процессов регулирования [4].