5.3. Синхронный электропривод с частотнотоковым регулированием момента Конструирование системы управления

Электромагнитный момент в синхронном двигателе создается за счет взаимодействия магнитодвижущих сил (МДС), создаваемых обмоткой ротора F_Р и обмотками статора F_С. Для регулирования момента необходимо уметь изменять величину этих МДС и пространственный угол между ними в зазоре электрической машины. В схеме частотнотокового регулирования этот угол обычно постоянный и не регулируется.

Примем для простоты (что, в общем-то, соответствует многим реальным электроприводам) F_Р = const. Это бывает в электроприводах с питанием обмотки возбуждения от источника постоянного нерегулируемого напряжения или от постоянных магнитов. Пространственно вектор этой МДС поворачивается механическим путем при вращении ротора, совпадая с его магнитной осью.

Управлять же вектором F_С, регулируя его амплитуду, а также угловые положение и скорость движения, будем, изменяя токи в фазных обмотках статора СД с помощью преобразователя частоты. Для этого каждую из обмоток подключим на выходы преобразователей UZA, UZB и UZC, работающих в режиме источников тока (рис. 5.4). В качестве примера источника тока фазы А статора (рис. 5.5) может быть взят тиристорный реверсивный преобразователь постоянного тока ТПА, охваченный отрицательной обратной связью по току (датчик тока ДТА UAA) и настроенный на заданные показатели качества регулятором тока РТА ААА.

Если на входы этих источников тока подать управляющие напряжения, образующие симметричную трехфазную систему и регулируемые по амплитуде и частоте, то получится трехфазный преобразователь частоты с непосредственной связью (НПЧ).

Рассмотрим, как можно выполнить узел формирования этих управляющих напряжений.

В качестве первого предположительного варианта возьмем самое простое и наглядное решение: применим маломощный приборный трехфазный синхронный генератор СГ, статорные обмотки которого подключены к входным зажимам источников тока в цепях статорных обмоток двигателя МS. Изменяя угловую скорость вала приборного СГ, можно регулировать частоту статорного напряжения (и тока) МS, а изменяя ток возбуждения ротора СГ – амплитуду фазных напряжений (и токов) МS. Но в этой схеме не удается сформировать сигнал задания вблизи скорости, равной нулю, в результате электропривод не может реализовать, например, такой важный в регулируемом электроприводе режим, как работа электропривода на упор.

Тогда заменим синхронный генератор на сельсин 2С ВЕ, выходные статорные обмотки которого через демодуляторы ДМА, ДМВ и ДМС (UA, UB и UC) подключены к входным цепям источников статорных токов МS. В этом случае амплитуда задающих сигналов U_АЗ, U_ВЗ, U_СЗ на входе НПЧ регулируется изменением амплитуды высокочастотного (обычно 0,4...2,5 кГц) напряжения, подаваемого на обмотку ротора сельсина 2С, а частота – угловой скоростью вращения его вала. В этой схеме задающие сигналы поддаются формированию во всем диапазоне желаемых частот напряжения на статоре.

Однако при независимом задании угловой скорости вращения ротора 2С в регулируемом синхронном электроприводе сохраняются недостатки, характерные для традиционного синхронного нерегулируемого по скорости (например, работающего от промышленной сети 50 Гц) электропривода: склонность к колебаниям угловой скорости ротора синхронного двигателя МS при колебаниях момента статической нагрузки и опасность выпадения его из синхронизма при перегрузках. Между тем типовая механическая характеристика регулируемого электропривода предполагает режим поддержания заданного предельного момента при перегрузках (см. участок 2 механической характеристики на рис. 5.1), но отнюдь не выпадение из синхронизма.

Причиной выпадения ротора синхронного двигателя из синхронизма в электроприводах с независимым заданием частоты напряжения его на статорных обмотках является то, что при увеличении момента статической нагрузки растет угол между векторами  и _Р (угол нагрузки в синхронной машине). Площадь же моментного треугольника может увеличиваться, лишь, когда этот угол менее 90 градусов, после чего векторы МДС F_С и F_Р вращаются с разными угловыми скоростями, соответствующими режиму выпадения двигателя из синхронизма. Между тем большинство рабочих механизмов, оборудованных регулируемым электроприводом, требует другого алгоритма работы электропривода при перегрузках: электропривод должен развивать постоянный момент, соответствующий максимально допустимому значению, но не выпадать из синхронизма. Этому режиму соответствует участок 2 типовой механической характеристики регулируемого электропривода (рис. 5.1).

Решить поставленную задачу можно, если заставить не ротор синхронного двигателя следить за "убегающим" с частотой питающей статорные обмотки сети вектором МДС статора F_С, а вектор F_С ориентировать относительно F_Р. Этого можно добиться, если механически связать вал сельсина 2С с валом двигателя MS. В этом случае форму моментного треугольника, заданную, например, при покое электропривода, удастся сохранить и при его движении, так как угол поворота векторов F_Р и F_С оказывается одинаковый.

В результате электромеханические свойства регулируемого по частоте синхронного электропривода радикально изменяются: из источника регулируемой скорости (механические характеристики горизонтальны) синхронный электропривод превращается в источник регулируемого момента (механические характеристики вертикальны). Теперь достаточно этот электропривод охватить внешним контуром регулирования скорости, чтобы получить стандартную структуру электропривода (рис. 5.2).