3. Регулирование координат электропривода с асинхронным двигателем изменением напряжения обмотки статора

Изменение величины напряжения, подводимого к статору АД, позволяет с помощью относи­тельно простых схем управления осуществлять в статических и динамических режимах регулирова­ние его координат с хорошими технико-экономическими показателями.

На рис.70 приведены механические характеристика АД, построенные по формуле (183) для нескольких значений напряжения, подаваемого на обмотку статора, U₁₃<U₁₂<U_1N. При постоянном значении момента нагрузки М_с=const уменьшение напряжения, подаваемого на обмотку статора, приводит к увеличению скольжения s, а значит к уменьшению угловой скорости вращения (см. формулу (175)).

Из рис. 70 видно, что при уменьшении напряжения, подаваемого на обмотку статора, происходит уменьшение критического момента, в тоже время величина критического скольжения остается неизменной. В результате при U_{l peг}=var искус­ственные характеристики при напряжениях меньших номинального оказываются малопригодными для регулирования скорости из-за уменьшения пе­регрузочной способности АД. Диапазон регулирования скорости очень мал. Разомкнутые схемы асинхронного ЭП с регулятором напряжения обмотки статора используются лишь для воздействия в переходных процессах на момент АД, что может требоваться, например, для обеспечения заданного ускорения дви­жения ЭП или регулирования натяжения на исполнительном орга­не рабочей машины. Заметим, что регулирование напряжения на статоре не приводит к изменению скорости холостого хода Ω₀= 2πf₁/p_п.

Для регулирования напряжения на статоре АД могут использо­ваться различные электротехнические устройства - автотрансфор­маторы, магнитные усилители, а также тиристорные регуляторы на­пряжения (ТРН), получившие в настоящее время наибольшее рас­пространение из-за высокого КПД, простоты обслуживания, лег­кости автоматизации работы ЭП и большого их ассортимента, вы­пускаемого промышленностью. ТРН позволяют реализовывать са­мые разнообразные функции по управлению и оптимизации режи­мов работы ЭП с АД; на их основе строятся устройства, позволяю­щие формировать нужным образом динамические характеристики ЭП, они позволяют также реализовывать режимы работы АД с наи­лучшими энергетическими показателями при малых его нагрузках.

Рис. 70. Механические характеристики АД при различных значениях напряжения обмотки статора

На рис. 71 приведена схема подключения ТРН к АД с выводом нулевой точки обмотки статора, на рис. 72 приведена схема подключения ТРН к АД без вывода нулевой точки обмотки статора.

Рассмотрим принцип действия ТРН и основанную на его исполь­зовании распространенную систему ЭП «тиристорный регулятор напряжения - асинхронный двигатель» (ТРН - АД) [11].

Рис.71. Схема подключения ТРН к АД с выводом нулевой точки обмотки статора

Рис.72. Схема подключения ТРН к АД без вывода нулевой точки обмотки статора

На рис. 73 приведена схема однофазного ТРН (а) и временные диаграммы (б, в, г) при активном характере нагрузки. Силовая часть однофазно­го ТРН образована двумя тиристорами VS1 и VS2, включенными по так называемой встречно-параллельной схеме, которая обеспе­чивает протекание тока в нагрузке в оба полупериода напряжения сети U₁. Тиристоры получают импульсы управления от системы импульсно - фазового управления СИФУ, которая обеспечивает их фазовый сдвиг на угол управления α в функции внешнего сигнала управления U_у .

Если на тиристоры VS1 и VS2 не подаются импульсы управле­ния от СИФУ, то они закрыты и напряжение на нагрузке U_рег равно нулю. При подаче на тиристоры импульсов управления с углом уп­равления α = 0 они будут полностью открыты и к нагрузке будет приложено все напряжение сети U₁=U_рег. Если осуществлять пода­чу импульсов управления на тиристоры с некоторой задержкой относительно пре­дельного режима (угол управления α > 0), то к нагрузке будет прикладываться часть напряжения сети (см. рис 73, б). Изменяя угол управле­ния α от нуля до π, можно регулировать напряжение на нагрузке от полного напря­жения сети до нуля. На рис. 73, в приведено напряжение на встречно - параллельно включенных тиристорах, а на рис.73, г приведена временная диаграмма тока нагрузки. Форма тока нагрузки повторяет форму напряжения нагрузки. Выключение тиристора происходит при смене полярности напряжения на нем. На рис. 74 приведена схема однофазного ТРН (а) и временные диаграммы (б, в, г) при активно-индуктивном характере нагрузки. Как видно из рис. 74, г при

активно - индуктивном характере нагрузки форма тока нагрузки не повторяет форму напряжения нагрузки. Выключение тиристора происходит в момент спада тока, протекающего через тиристор, до нуля.

Регулировочная характеристика ТРН представляет собой зависимость действующего напряжения нагрузки U_нг от угла α, т.е. U_нг =f(α) при постоянном напряжении питающей сети (U=U_N=const) и постоянном токе нагрузки (I_нг=const).

При чисто активном характере нагрузки зависимость U_нг =f(α) находят из соотношения

В относительных единицах

(201)

где U − действующее значение переменного напряжения на входе ТРН.

Вид регулировочной характеристики приведен на рис. 75.

Наличие индуктивности в цепи нагрузки вносит отличие в характер изменения тока нагрузки и напряжения.

Действующее значение напряжения нагрузки определяется по формуле

В относительных единицах

(202)

Рис.73. Схема (а) и временные диаграммы (б, в, г) однофазного ТРН при работе на активную нагрузку: напряжение нагрузки (б); напряжение на вентиле (в); ток нагрузки (г)

Рис.74. Схема (а) и временные диаграммы (б, в, г) однофазного ТРН при работе на активно-индуктивную нагрузку: u − напряжение питающей сети; u_нг − напряжение нагрузки (б); u_в − напряжение на тиристоре силовой схемы (в); i_нг − ток нагрузки (г); α − угол управления; Ψ − длительность открытого состояния тиристора; δ − длительность проводящего состояния тиристора после смены знака напряжения питающей сети.

Рис.75. Регулировочная характеристика однофазного ТРН при активной нагрузке

Ток в нагрузке на интервале проводимости каждого тиристора ψ находят из анализа переходного процесса, обусловленного отпиранием тиристора. Его можно определить в виде суммы двух составляющих – принужденной и свободной. Принужденная составляющая тока i_нг.пр отстает на угол φ=arctg(ωL_нг/R_нг) от напряжения питания питающей сети u.

Принужденная составляющая тока определяется по формуле

(203)

Свободная составляющая тока нагрузки спадает по экспоненциальному закону:

(204)

с постоянной времени

τ=L_нг/R_нг=tgφ/ω. (205)

В момент времени ωt=α сумма принужденной и свободной составляющих, определяющая ток i_нг, равна нулю:

откуда определяем коэффициент А:

Окончательно выражение для тока нагрузки принимает вид:

(206)

После подстановки в (189) значения ωt=π+δ, соответствующего току i_нг=0 (см. рис. 74, б, в), получаем уравнение

(207)

которое может быть использовано для определения угла δ.

При активно – индуктивной нагрузке преобразователя представля­ет интерес определение так называемого критического зна­чения угла управления α=α_кр, при котором интервалы про­водимости тока δ полностью занимают интервалы α. В этом случае ток i_нг спадает до нуля в момент времени ωt=π+δ (т. е. момент за­пирания одного тиристора совпадает во времени с моментом отпирания другого тиристора), паузы в кривой тока i_нг и напряжения U_нг отсутствуют, и длительность проводящего состояния каждого тиристора ψ становится равной 180°. Из уравнения (207) следует, что такой режим имеет место при

(208)

Действующее значение напряжения на нагрузке максимально, и относительная его величина, согласно соотношению (202), равна единице. Кривая тока i_нг становится непрерывной и синусоидальной. В соответствии с выражением (206) при α=α_кр имеем

(209)

Очевидно, аналогичный режим работы будет и при углах α_кр>α>0. Диапазон углов α от нуля до α_кр характеризует неуправляе­мую зону преобразователя, где изменение угла α не вызывает изме­нения действующего значения напряжения на нагрузке и ее тока. Для осуществления нормальной работы схемы в этой зоне (создания непрерывного тока нагрузки) необходимо подавать на тиристоры управляющие импульсы достаточной длительности, чтобы при малых углах α< α_кр они перекрывали по длительности момент перехода тока нагрузки через нуль. В противном случае отпирающий импульс для очередного тиристора закончится раньше, чем прекра­тится ток в параллельном ему тиристоре, и тиристор не сможет от­крыться — произойдет пропуск его отпирания. Исходя из наимень­шего угла α=0, длительность отпирающих импульсов должна быть не меньше φ.

Внешняя характеристика ТРН представляет собой зависимость напряжения U_нг от тока I_нг, т.е. U_нг=f(I_нг) при постоянном напряжении питающей сети, (U₁=U_N=const) и постоянном угле регулирования (α=const) (рис. 76).

U_нг=U_нг0-∆U, (210)

где U_{нг 0} – действующее значение напряжения на выходе ТРН при холостом ходе нагрузке, т.е. при I_нг=0:

; (211)

∆U – падение напряжения на элементах ТРН при токе I_нг≠0:

∆U=∆U_{в. пр}+I_нгR_э, (212)

R_э – эквивалентное активное сопротивление схемы, равное сопротивлению соединительных проводов: R_э=R_с.п.

Рис.76. Внешние характеристики ТРН при активной нагрузки

Коэффициент мощности асинхронного ЭП с ТРН χ дает оценку эффективности потребления мощности от питающей сети и представляет собой отношение активной мощности, потребляемой ЭП от питающей сети по первой (основной) гармоники, P₍₁₎, к полной мощности S, потребляемой ЭП от питающей сети, т.е.

, (213)

где k_иск – коэффициент искажения формы кривой тока, потребляемого от питающей сети;

k_сдв– кэффициент сдвига:

k_сдв=cosφ.

Параметр φ характеризует угол сдвига первой гармоники потребляемого тока от кривой напряжения питающей сети.

Перемножив cosφ и k_иск получим

(214)

Отметим, что и для двустороннего фазового регулирования коэффициент мощности также определяется по формуле (214). При этом коэффициент сдвига равен единице, а коэффициент искажения соответствует выражению (214).

Нетрудно видеть, что в одиночных преобразователях переменного напряжения независимо от используемого метода фазового регулирования коэффициент мощности равен относительному значению напряжения нагрузки, т.е. χ= U_нг/U, и связан с ним линейной зависимостью (рис. 77).

На основе однофазной схемы, показан­ной на рис. 73, а, работают трехфазные схемы для регулирования на­пряжения на статоре АД, состоящие из шести тиристоров VS1... VS6 (см рис. 71 и рис.72). Отметим, что в таких схемах вместо пары встречно-параллельно включенных тиристоров может применяться полупро­водниковый прибор симметричный тиристор, обеспечивающий протекание тока в фазе двигателя в обоих направлениях и имеющий такой же прин­цип действия, что и тиристор. Его применение сокращает число элек­тронных приборов вдвое и упрощает схему СИФУ.

Отметим, что напряжение на нагрузке является несинусоидаль­ным и его можно представить совокупностью нескольких синусо­идальных напряжений - гармоник, каждая из которых изменяется с определенной частотой. Частота изменения первой из них (основ­ной гармоники) равна частоте питающего напряжения, а частоты изменения других гармоник больше, чем первой. Обычно первая гармоника имеет наибольшую амплитуду и по ней ведутся все ос­новные расчеты.

Кроме регулирования координат двигателя ТРН позволяет осуще­ствлять изменение направления его скорости, т.е. реверс. Реверсивная схема ТРН (рис. 78) по сравнению со схемой, приведенной на рис. 72, а, дополнена двумя парами встречно-параллельно включенных тиристоров. Подключение этих пар тиристоров (при отключении двух соответствующих пар тиристоров основной схемы) позволяет изменить чередование фаз питающего напряжения, подаваемого на обмотку статора асинхронного двигателя. При этом направление вращения магнит­ного поля, созданного обмоткой статора, и соответственно направление вращения ротора АД изменятся на обратное.

Рис. 77. Зависимость коэффициента мощности ТРН от относительного напряжения на нагрузке для одиночного преобразователя

Функциональные возможности ТРН по управлению АД этим далеко не исчерпываются. С их помощью можно обеспечивать при­нудительное электрическое торможение АД, формирование требу­емых динамических характеристик ЭП в переходных режимах, обес­печение экономичных режимов АД при его работе с переменной нагрузкой. На базе рассмотренных схем ТРН реализуются тиристорные реверсивные и нереверсивные контакторы (пускатели) для пуска, реверса и торможения АД. Разработаны и успешно применяются серии систем плавного пуска асинхронных двигателей на токи от единиц до тысяч ампер. В качестве примера можно привести системы плавного пуска типа РSS03…PSS350 и PST. С помощью систем плавного пуска можно осуществлять плавный пуск и остановку привода, сводя механические и электрические перегрузки к минимуму. При выборе типоразмера системы плавного пуска следует руководствоваться рекомендациями фирмы - разработчика (АВВ). При пуске двигателя без повышенной нагрузки на валу (ЭП центробежного насоса, компрессора, лифта) – типоразмер системы должен соответствовать номинальной мощности двигателя, а при пуске с повышенной нагрузкой (ЭП измельчителя, мельницы, смесителя, мешалки и т.п.) систему необходимо выбирать на один типоразмер больше того, что соответствует номинальной мощности двигателя.

Системы плавного пуска выполняются на современной элементной базе силовой электроники, снабжены интеллектуальными устройствами управления и программным обеспечением.