5. Частотное регулирование скорости ад. Особенности частотного регулирования скорости

I. Для наилучшего использования асинхронного двигателя при регулировании угловой скорости изменением частоты необходимо регулировать напряжение одновременно в функции частоты и нагрузки, что реализуемо только в замкнутых системах электропривода. В разомкнутых системах напряжение регулируется лишь в функции частоты по некоторому закону, зависящему от вида нагрузки.

Для осуществления частотного регулирования угловой скорости находят применение преобразователи, на выходе которых по требуемому соотношению или независимо меняется как частота, так и амплитуда напряжения.

Преобразователи частоты делятся на электромашинные и вентильные (статические).

Недостатки (большие габариты установки в целом, наличие большого количества вращающихся частей, инерционность, невысокая надежность, невозможность применения в электроприводе малой мощности) ограничивают применение электромашинных преобразователей и приводят к необходимости создания статических преобразователей, которые в зависимости от элементной базы можно разделить на транзисторные и тиристорные. В зависимости от структуры статические преобразователи делятся на преобразователи с промежуточным звеном постоянного тока и НПЧ.

Предназначен НПЧ для преобразования высокой частоты в низкую и состоит из восемнадцати тиристоров, объединенных во встречно-параллельные группы с раздельным управлением. В основе преобразователя лежит трехфазная нулевая схема выпрямления; каждая фаза преобразователя состоит из двух таких встречно включенных выпрямителей. Группу из трех вентилей, имеющих общий катод, называют положительной или выпрямительной, а группу с общим анодом — отрицательной или инверторной. Вентильные группы могут управляться раздельно, либо совместно.

К достоинствам этого типа преобразователей можно отнести: однократное преобразование энергии и, следовательно, высокий КПД (около 0,97…0,98); возможность независимого регулирования амплитуды напряжения на выходе от частоты; свободный обмен реактивной и активной энергией из сети к двигателю и обратно; отсутствие коммутирующих (бутстреповых) конденсаторов, так как коммутация тиристоров производится естественным путем (напряжением сети.)

К недостаткам рассмотренного преобразователя частоты относятся: ограниченное регулирование выходной частоты (от 0 до 40 % частоты сети); сравнительно большое число силовых вентилей и сложная схема управления ими; невысокий коэффициент мощности — максимальное значение на входе преобразователя около 0,8.

Наибольшее применение для промышленных приводов может иметь статический преобразователь частоты с промежуточным звеном постоянного тока. Преобразователь состоит из двух силовых элементов — управляемого выпрямителя и инвертора. На вход выпрямителя подается нерегулируемое напряжение переменного тока промышленной частоты; с выхода постоянное регулируемое напряжение подается на инвертор, который преобразует постоянное напряжение в переменное регулируемой амплитуды и частоты. Кроме двух силовых элементов, преобразователь содержит еще систему управления, состоящую из блока управления выпрямителем и блока управления инвертором. Выходная частота регулируется в широких пределах и определяется частотой коммутации тиристоров инвертора. В такой схеме производится раздельное регулирование амплитуды и частоты выходного напряжения.

Преобразователь с промежуточным звеном постоянного тока позволяет регулировать частоту как вверх, так и вниз от частоты питающей сети; он отличается высоким КПД (около 0,96), значительным быстродействием, малыми габаритами, сравнительно высокой надежностью и бесшумен в работе.

Для преобразователей большей мощности (от 20 кВт и выше) с относительно большим диапазоном регулирования выпрямленного напряжения (до 20:1) используется трехфазный полностью управляемый выпрямитель, обычно выполняемый по мостовой схеме.

В тех случаях, когда инвертор питается от сети постоянного тока или от неуправляемого выпрямителя, применяется ШИР напряжения.

Системы с ШИР могут обеспечить большой диапазон регулирования выходного напряжения и позволяют уменьшить габариты фильтрующих устройств. Питание инвертора от неуправляемого выпрямителя через ШИР позволяет получить высокий коэффициент мощности на входе преобразователя частоты во всем диапазоне регулирования. Недостатками преобразователя частоты с ШИР на входе инвертора являются необходимость установки силового тиристора, рассчитанного на всю мощность, потребляемую инвертором, снижение КПД преобразователя из-за дополнительного преобразования энергии (потери мощности в ШИР), усложнение схемы преобразователя и снижение его надежности, поэтому ШИР на входе инвертора используется в основном только при наличии сети постоянного тока.

В случае применения в преобразователях частоты автономных инверторов напряжения с фазной или индивидуальной коммутацией тиристоров или транзисторных инверторов можно совместить в самом инверторе функции инвертирования и регулирования напряжения методом ШИМ. Такие тиристорные инверторы и их системы управления существенно сложнее рассмотренных инверторов с межфазной коммутацией, а КПД их ниже из-за повышенных потерь, связанных с высокой частотой коммутации тиристоров.

Несмотря на этот недостаток инверторы с индивидуальной и фазовой коммутацией тиристоров (и транзисторные) используются в весьма перспективных преобразователях частоты с инверторами с ШИМ, применяемых в приводах с глубоким регулированием скорости. Отличительной особенностью этих инверторов является не только возможность регулирования в них как напряжения, так и частоты от нуля до номинального значения, но и получение формы выходного тока, близкой к синусоидальной. Это позволяет в таких системах обеспечить весьма широкий диапазон регулирования угловой скорости асинхронного двигателя и уменьшить потери в нем от высших гармоник напряжения. При использовании инверторов с ШИМ отпадает необходимость в источнике регулируемого выпрямленного напряжения, что упрощает силовую схему и позволяет получить коэффициент мощности преобразователя, близкий к единице.

Единственным способом регулирования скорости синхронного двигателя является частотный метод регулирования.

Синхронный электропривод обладает рядом особенностей:

• привод большой мощности, работающий при постоянных нагрузках близких к критической;

• склонность к качаниям, учитывая то, что двигатель работает в области нагрузок близких к критическим при изменении частоты питания обмотки статора и как следствие изменение скорости, электромагнитный момент двигателя так же будет изменяться.

Поэтому одновременно с изменением частоты питания цепи статора в целях сохранения перегрузочной способности двигателя, а также устойчивости системы регулирования одновременно с изменением частоты в синхронных машинах необходимо изменять ток возбуждения. Обычно в большинстве случаев применяется пропорциональный закон регулирования. Однако в ряде случаев используется зависимость частоты и тока возбуждения, которая может изменяться в зависимости от изменения скорости или его электромагнитного момента.