Анализ выражения для электромагнитного момента сд в электроприводе с частотнотоковым управлением

Обратим внимание на некоторые особенности формирования электромагнит­ного момента в рассматриваемой системе регулирования.

Сигналом задания для контура регулирования момента является величина U_РС. Чтобы выполнялась пропорциональность между величиной U_РС и электромагнит­ным моментом М, развиваемым синхронным двигателем, нужно, чтобы произведение коэффициентов, стоящих при U_РС в выражении (5.6), было постоян­ным. Этого можно добиться, если обеспечить _С  _Р = const. С этой целью сельсин 2С механически соединяется (непосредственно или через редуктор) с валом ротора MS, чтобы электрические скорости обеих машин были одинаковы.

При неизменной величине U_РС, а следовательно, и неизменных средних значениях токов статора величина момента М может быть различной в зависи­мости от величины разницы углов _С  _Р. Так, при _С  _Р = 90 момент, разви­ваемый MS при заданном U_РС, наибольший. При _С  _Р = 0 момент MS М = 0, несмотря на то, что по обмоткам статора могут протекать любые токи, задаваемые сигналом U_РС. Дело в том, что выставляя различные значения _С  _Р, под разными углами друг к другу удается ориентировать пространственные оси магнитного потока ротора и магнитодвижущей силы обмоток статора. При этом изменяется также и величина cos на зажимах статора MS.

Изменить во время наладки взаимное положение роторов 2С и MS относительно друг друга можно, выполнив их соединение друг с другом, например, через муфту. Hо можно избежать регулировки разницы _С  _Р механическим способом, если поворачивать на определенный угол ротор 1С.

Как правило, в схемах частотнорегулируемых синхронных электроприводов предпочитают работать с величиной cos двигателя равной единице, чтобы не перегружать реактивными токами цепи статора. При этом, однако, коэффициент мощности всего электропривода, измеряемый на шинах сети, питающей силовые цепи преобразователей частоты, в целом оказывается невысоким. Это связано с неизбежным понижением напряжения на статорных обмотках двигателя при работе его в районе низких частот.

Момент, который развивает синхронный двигатель при заданных значениях токов в роторе и статоре, как это следует из (5.6), тем больше, чем больше взаимная индуктивность L_М между обмотками статора и ротора. В серийных синхронных машинах, чтобы ослабить влияние реакции якоря (статора), которая уменьшает перегрузочную способность синхронного двигателя, выбирают сравнительно большие величины воздушного зазора, а это снижает величину L_М. Если же синхронный двигатель предназначается для электропривода с частотнотоковым (или другим векторным способом формирования момента), то повышенные значения L_М в двигателе оказываются полезными. Поэтому синхронные двигатели для частотнорегулируемых электроприводов могут конструироваться не с повышенной, а с нормальной с точки зрения механической надежности машины величиной воздушного зазора, что приводит к более продуктивному использованию активных материалов в электрической машине.

Оценку выигрыша за счет более рационального использования активных материалов в электрической машине можно дать, ориентируясь на опыт проектирования электрических машин разных серий [13]. У асинхронных двигателей общепромышленных серий мощностью в несколько десятков кВт относительный воздушный зазор, измеряемый отношением его величины к диаметру ротора, обычно лежит в пределах (2,0...2,5)^3. Но эти двигатели предназначены для механизмов с длительным и, как правило, спокойным характером нагрузки. Их конструируют с минимальной величиной воздушного зазора, чтобы снизить ток намагничивания. У асинхронных двигателей краново-металлургических серий, работающих в более тяжелых режимах, зазор выбирают из условий механической надежности электрической машины, и он получается примерно в полтора раза больше. У электродвигателей же постоянного тока (некомпенсированных) и серийных синхронных, предназначенных для работы от промышленной сети, воздушный зазор увеличен еще больше: в 3...4 раза. На это идут, чтобы ослабить влияние реакции якоря и сохранить удовлетворительные условия коммутации (в двигателях постоянного тока) или достаточную перегрузочную способность (в синхронных двигателях).

При этом в серийных синхронных машинах доля, приходящаяся на воздушный зазор, доходит до 75% от полного магнитного сопротивления машины. В синхронных двигателях, рассчитанных для работы в частотнорегулируемом электроприводе, воздушный зазор следует выбирать лишь из условий их механической надежности, тогда экономия только на активных материалах может доходить до 25...30%. Другим словами, в замкнутой системе синхронного электропривода удается получить высокое качество процессов при меньших затратах на электрическую машину.

Hаконец, обратим наше внимание на последнее обстоятельство. Выражение (5.6), описывающее передаточные свойства синхронного двигателя в системе частотнотокового регулирования электромагнитного момента, когда входной координатой принята величина напряжения на выходе регулятора скорости U_РС, а выходной является величина момента М, соответствует безынерционному звену. Оно было получено при допущении о безынерционности процессов регулирования токов статора двигателя. При этом было достигнуто весьма существенное упрощение математических выкладок при сохранении ясной физической картины происходящих явлений. Если же учитывать электромагнитную инерцию статорных цепей синхронного двигателя, то решение уравнений состояния в большой мере усложняется. В некоторых случаях (например, при анализе аварийных переходных процессов, вызванных короткими замыканиями в статорных цепях) этот учет необходим. Получающиеся при этом уравнения с периодическими коэффициентами решаются или путем соответствующих координатных преобразований (см. например, [4, 11, 14]), или специальных преобразований Лапласа [16]. Hо вместе с тем следует признать, что питание статорных цепей двигателя от регулируемых источников тока, выполненных на современной полупроводниковой базе, весьма приближает истинную картину процессов к идеальной. Это обстоятельство некоторые авторы очень эффективно и давно используют при разработке и исследовании процессов в регулируемом электроприводе переменного тока [2, 15].

 В учебной лаборатории первый студент в схеме синхронного электропривода с частотнотоковым управлением при токе возбуждения I_Р = 10 А и угловой скорости вращения вала двигателя n = 10 рад/с получил в установившемся режиме величину момента на валу двигателя М = 10 Hм. При этом у него оказалось, что действующее значение тока в цепи каждой из фаз статора I_С = 10 А, а на зажимах статора двигателя cos = 0,7. Второй студент при тех же значениях I_Р, n и I_С добился cos = 1, но при этом у него получилось М = 7 Hм. Когда они подошли за советом к третьему студенту, тот сказал, что эксперименты ошибочны, их следует провести заново и обратил внимание на то, что, с одной стороны, в первом варианте двигатель развивает (а следовательно, и потребляет) большую активную мощность, а с другой – при равных токах статора и ротора имеет меньший коэффициент мощности, что должно противоречить физике работы любой электрической цепи.

Определите, кто из студентов прав и при каких условиях. Обоснуйте свою точку зрения соответствующими векторными диаграммами и осциллограммами процессов.