5.8. Регулируемые асинхронные электроприводы массовых серий

Еще сравнительно недавно можно было очень явственно противопоставить регулируемый электропривод нерегулируемому: с одной стороны мы наблюдали относительно сложные, хотя и немногочисленные (до 3...5% от общего числа) замкнутые системы электропривода, обеспечивающие работу электропривода во всех его четырех квадрантах, с высоким качеством протекающих процессов и весьма малой погрешностью регулирования, а с другой  разомкнутые системы электропривода, в которых скорость вала рабочего механизма или не регулировалась, или регулировалась наиболее грубыми, например, реостатным, способами. Такая поляризация технических решений объяснялась, с одной стороны, высокой стоимостью регулируемых источников питания, когда сложные и, следовательно, дорогие электроприводы были экономически целесообразны для механизмов с высокими требованиями к качеству процессов (прокатные станы) и точности движения рабочего органа (станки с числовым программным управлением). С другой стороны, относительно невысокая стоимость электро­энергии, а в ряде случаев  и самого технологического продукта способствовали широкому применению простых нерегулируемых электроприводов.

Однако в последние десятилетия экономическая обстановка изменилась: обострившаяся конкуренция производителей на рынке товаров и услуг способствовала повышению качества товаров, а рост стоимости энергоносителей и сырья потребовал их экономии. Вместе с тем стремительный прогресс в области силовой полупроводниковой техники: освоение промышленного производства биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT), рост степени интеграции в микропроцессорной технике и переход от микропроцессоров к микроконтроллерам с встроенным набором специализированных периферийных устройств,  способствовали разработке компактных и экономичных систем регулируемого электропривода.

По мнению американских экспертов [8], от 25 до 50% всех технологических агрегатов нуждается в регулируемом электроприводе. По данным фирмы Motorola рынок регулируемых электроприводов в Европе вырастет с 1 млрд. долларов США в 1993 г. до 1,5 млрд. в 2000 г., причем 77% продаж относятся к электроприводам 0,75 - 75 кВт.

Для большинства массовых применений электроприводов (насосы, вентиляторы, конвейеры и т.д.) при нереверсивном характере работы требуется относительно небольшой диапазон регулирования скорости (до 1 : 10, 1 : 20) с умеренным быстродействием, т.е. точностные требования к электроприводу относительно снижены. Здесь регулирование электропривода позволяет сэкономить как электроэнергию (например, отказом от регулирования расхода воды с помощью задвижек), так и сам технологический продукт (снижение утечек из-за повышенных давлений в магистрали при неполностью открытых задвижках) и оборудование (снижение гидравлических ударов в магистрали благодаря плавному пуску электропривода). Так, по данным [8] применение регулируемых электроприводов насосов питьевой воды в жилых зданиях позволяет сэкономить до 10...30% воды и до 20...50% электроэнергии. Учитывая массовый характер этих электроприводов, следует добиваться высокой степени их надежности и минимальных затрат на обслуживание в процессе эксплуатации.

Преимущественное применение в настоящее и ближайшее будущее время имеют электроприводы с асинхронными короткозамкнутыми двигателями. В связи с резким удешевлением статических преобразователей частоты быстро увеличивается доля частотно-регулируемых асинхронных электроприводов. При этом целесообразны наиболее простые, известные из классических курсов основ электропривода и электрических машин способы регулирования, получившие в современной технической литературе название систем скалярного управления [9].

Структурная схема асинхронного электропривода с автономным инвертором напряжения приведена на рис. 5.19. Здесь силовая часть схемы состоит из нерегулируемого выпрямителя В, силового фильтра, выполненного на реакторе L и конденсаторе С, и автономного инвертора напряжения АИ, выполненного на шести IGBT-транзисторах. Инвертор работает в режиме широтно-импульсной модуляции и преобразует нерегулируемое постоянное напряжение на выходе выпрямителя и фильтра в регулируемое по частоте и амплитуде первой гармоники напряжение на статоре асинхронного двигателя М. Схема нереверсивная и не предусматривает электрического торможения электропривода, что для большой группы механизмов (например, насосов, вентиляторов) часто и не требуется.

Основой системы управления электроприводом является модуль микроконтроллера МК, с помощью которого осуществляется управление преобразователем частоты и электроприводом в целом. Реализация желаемой структуры системы управления и настройка параметров регуляторов производится программным путем. Фирмы, выпускающие регулируемые электроприводы для массовых серий, как правило, предпочитают простые алгоритмы управления двигателем (например, U / f = const).

Электропривод (рис. 5.19) выполнен с отрицательной обратной связью по скорости, которая измеряется тахогенератором ТГ. Настройка контура регулирования скорости осуществляется ПИ-

регулятором скорости РС. Задатчик интенсивности ЗИ позволяет формировать процессы разгона и торможения электропривода с заданным ускорением.

Управление инвертором АИ осуществляется по двум каналам: сигнал f_У, пропорциональный заданной частоте напряжения АИ, снимается с выхода пропорционального регулятора ₁, а сигнал U_У, пропорциональный заданной величине напряжения АИ,  с выхода пропорционального регулятора ₂, включенного на выходе канала, образованного последовательным соединением функционального преобразователя ФП и ₂. Статическая характеристика ФП (изображена над звеном ФП на рис. 5.19) аппроксимируется тремя линейными отрезками: 0-а, а-б и б-в. Отрезком о-а создается начальное смещение напряжения на выходе АИ, необходимое для преодоления падения напряжения на обмотке статора М при малых частотах напряжения на статоре. На отрезке а-б напряжение на статоре U_C и частота его f_C изменяются пропорционально. Этот отрезок соответствует диапазону изменения частоты и напряжения на статоре, когда магнитный поток в двигателе косвенным способом поддерживается постоянным и номинальным. На участке б-в величина напряжения на статоре двигателя остается неизменной, хотя при этом частота его может увеличиваться. Здесь осуществляется регулирование скорости вращения двигателя при постоянстве мощности, что позволяет снизить габарит преобразователя частоты для тех электроприводов, в которых на больших скоростях наблюдаются малые моменты статической нагрузки. Чтобы падение напряжения в цепи обмотки статора двигателя мало сказывалось на величине его магнитного потока при изменении нагрузки, статическая характеристика 0-а-б-в функционального преобразователя смещается вертикально в функции тока статора, для чего предусмотрен узел IR-компенсации (слабой положительной обратной связи по току статора), когда сигнал с выхода датчика тока ДТ подается на вход суммирующего усилителя ₂.

Ограничение тока статора и электромагнитного момента двигателя производится ПИ-регулятором тока РТ: когда ток статора двигателя меньше тока уставки I_М, то в соответствии со статической характеристикой РТ (изображена рядом со звеном РТ на рис. 5.19) сигнал на его выходе равен нулю, отрицательная обратная связь по току не работает. Электроприводом обеспечивается режим поддержания заданной скорости. Когда ток статора достигнет уставки I_М, происходит резкое увеличение сигнала на выходе РТ, который преодолевает действие сигнала с выхода РС, из-за чего наступает снижение сигнала на входе и соответственно на выходе регулятора ₁, а вместе с ним  частоты и величины напряжения на статоре двигателя М.

Напомним, что вся регуляторная часть системы электропривода является модулем микроконтроллера МК, а описанные алгоритмы функционирования регуляторов реализованы программным путем.

Часто фирмы избегают установки внешних датчиков скорости и (или) других регулируемых технологических координат, если заданные рабочие режимы электропривода могут быть обеспечены при измерении только напряжений и токов в силовых цепях схемы. В этом случае в схеме (рис. 5.19) должны быть отброшены датчик скорости ТГ и регулятор РС, а сигнал с выхода ЗИ поступает непосредственно на вход сумматора ₁. В остальном схема может быть оставлена без изменений. Электропривод обеспечивает поддержание заданной угловой скорости вращения двигателя с погрешностью, определяемой величиной наклона его естественной механической характеристики. За счет работы регулятора тока РТ здесь также достигается ограничение тока и электромагнитного момента двигателя при перегрузках. Для уменьшения погрешности часто выполняются программы идентификации подключенного к АИ двигателя.

На выходе МК образуется шесть дискретных частоты ШИМ сигналов управления транзисторами АИ. С этой целью МК содержит ШИМ-контроллер.

Чтобы обеспечить согласование выходных сигналов МК с входными характеристиками IGBT модулей и гальваническую высоковольтную развязку сигналов, включен модуль выходных усилителей ВУ. С целью оптимизации конструкции полупроводниковых преобразователей и повышения их надежности ведущие фирмы-изготовители полупроводниковых приборов (например, Siemens, Mitsubishi) выпускают IPM-модули, в которых ВУ и IGBT-транзисторы объединены.

Управление электроприводом чаще осуществляется от встроенного пульта управления, который позволяет не только подавать команды на пуск и остановку электропривода, но и производить простейшую настройку электропривода (например, изменять темп разгона) и отражать на дисплее заданные и текущие значения регулируемых переменных. Фирмы, выпускающие преобразователи частоты, создают специальные макросы, ориентированные на наиболее часто встречающиеся стандартные режимы. Если имеющийся в программном обеспечении макрос удовлетворяет условиям применения преобразователя частоты в конкретном электроприводе, то достаточно только проверить соответствие параметров привода заводским установкам, ввести номинальные данные двигателя и осуществить пуск.

П редельная механическая характеристика асинхронного электропривода со скалярным управлением приведена на рис. 5.20. На участке 1–2 этой характеристики ток статора двигателя равен максимально допустимому I_M, напряжение на статоре и частота при этом изменяются пропорционально друг другу, а по величине остаются меньше своих предельных значений. На участке 2–3 предельной характе­ристики и напряжение и ток статора достигли своих предельных значений. Так как напряжение на статоре ограничено, то с ростом частоты происходит уменьшение потока в двигателе, поэтому при движении по характеристике от точки 2 к точке 3 при соблюдении постоянства тока статора I_C = I_M предельный момент двигателя уменьшается. Наконец, последний участок 3–4 предельной механической характеристики соот­ветствует максимально допустимой скорости, что реализуется в схеме ограничением сигнала задания U_ВХ.

В пределах, ограниченных осями координат и ломаной 1–2–3–4, электропривод способен обеспечить постоянство заданной скорости, но это постоянство в зависимости от уровня скорости поддерживается с соблюдением разных законов регулирования. Через точки 5 и 2 проведена естественная механическая характеристика асинхронного двигателя при значениях частоты и напряжения на статоре, как в точке 2. Если рабочий режим электропривода определяется точкой, находящейся внутри многоугольника 0–1–2–5, то поддержание заданной скорости обеспечивается при номинальном магнитном потоке путем пропорционального изменения частоты и напряжения на статоре. Если рабочая точка лежит внутри многоугольника 5–2–3–4, то поддержание скорости достигается только изменением частоты при неизменной максимальной величине напряжения на статоре. Магнитный поток двигателя при этом меньше номинального значения.

 Изобразите, как изменяются от скорости электропривода ток статора, напряжение и частота напряжения на статоре при регулировании скорости от максимального значения до нуля при постоянном моменте статической нагрузки.

 В регуляторе РС уменьшили в 2 раза уровень ограничения максимального напряжения. Как это повлияет на вид механической характеристики электропривода? Изменится ли величина момента при работе электропривода на упор? Поясните свои решения.

 Сопоставьте два способа ограничения максимального момента электропривода: в схеме (рис. 5.19) и в традиционной системе подчиненного регулирования.