6.5. Система преобразователь частоты - асинхронный двигатель

Наиболее простым, дешевым и надежным электрическим двигателем является асинхронный короткозамкнутый двигатель, поэтому его использование в регулируемом электроприводе представляет особый интерес. Как было установлено, возможности регулирования, аналогичные возможностям изменения напряжения на якоре двигателя постоянного тока с независимым возбуждением, в асинхронном электроприводе обеспечиваются путем изменения частоты напряжения и тока статорной обмотки. Для реализации этих возможностей необходимо осуществлять питание статорной обмотки двигателя от управляемого преобразователя частоты.

Регулирование частоты представляет собой технически более сложную задачу, чем регулирование выпрямленного напряжения, так как, как правило, требует дополнительных ступеней преобразования энергии.

Наибольшее число ступеней преобразования характерно для электромашинных преобразователей частоты. Для регулирования частоты вырабатываемого синхронным генератором напряжения необходимо регулировать его скорость. Для этой цели привод генератора необходимо осуществлять либо по системе Г-Д, либо по системе ТП-Д. Электромашинный преобразователь частоты содержит соответственно два преобразовательных агрегата: асинхронный двигатель, вращающий генератор постоянного тока, и двигатель постоянного тока, вращающий синхронный генератор с регулируемой скоростью. Электропривод с таким преобразователем частоты имеет пять ступеней преобразования энергии, увеличенные примерно в 5 раз массу, габариты и стоимость (по сравнению с нерегулируемым электроприводом), ухудшенный КПД, и его использование экономически нецелесообразно.

Н а рис.6.12 приведена схема вентильно-электромашинного преобразователя частоты, в котором регулирование скорости синхронного генератора производится по системе ТП-Д. Здесь вместо электромашинного агрегата, вырабатывающего регулируемое напряжение постоянного тока, применен более экономичный тиристорный преобразователь. Однако и в этом случае преобразователь частоты содержит три ступени преобразования энергии, из них две - электромеханического преобразования. Схема непосредственного регулирования скорости по системе ТП-Д проще и дешевле, поэтому применение системы ПЧ-АД, показанной на рис.6.12, может иметь место только в специальных установках, например в случаях, когда двигатель постоянного тока не может быть применен для привода исполнительного механизма по техническим условиям.

В §3.11 было отмечено, что при изменении частоты необходимо регулировать напряжение или ток статорной обмотки асинхронного двигателя. В схеме на рис.6.12 соответственно присутствуют два канала управления: канал управления частотой (U_yч), воздействующий на скорость синхронного генератора СГ, и канал управления напряжением, воздействующий на возбуждение СГ(U_ун).

Канал регулирования частоты имеет структуру системы ТП-Д (рис.6.12) и обладает значительной инерционностью, обусловленной механической инерцией преобразовательного агрегата ПД-СГ. Канал регулирования напряжения также инерционен в связи с наличием электромагнитной инерции цепи возбуждения синхронного генератора. Поэтому как объект управления представленная на рис.6.12 система обладает неблагоприятными свойствами.

Наименьшим числом ступеней преобразования энергии обладают вентильные преобразователи частоты Они содержат ступень преобразования переменного тока в постоянный и ступень инвертирования. Эти две ступени в самостоятельном виде присутствуют в преобразователях частоты со звеном постоянного тока В преобразователе частоты с непосредственной связью функции выпрямления и инвертирования совмещены в реверсивном преобразователе постоянного тока, выпрямленное напряжение или ток которого изменяются с требуемой частотой с помощью системы управления преобразователем. Как следствие, наиболее близкими к системе ТП-Д массогабаритными показателями обладает система ПЧ-АД с преобразователем с непосредственной связью, а система с преобразователями, содержащими ступень постоянного тока, уступает по этим показателям системе ТП-Д. Однако различия по мере совершенствования вентильных преобразователей частоты постепенно сокращаются, и существенные преимущества асинхронного двигателя определяют несомненную перспективность системы ПЧ-АД.

И звестно, что вентильные преобразователи частоты могут обладать либо свойствами источника напряжения, либо свойствами источника тока. В первом случае наряду со входом управления частотой u_y.ч преобразователь имеет вход управления напряжением u_ун (рис.6.13,a). В случае инвертора тока регулирование магнитного потока машины при регулировании частоты осуществляется по входу управления током u_ут (рис.6.13,б).

Канал управления частотой может осуществлять либо дискретное, либо непрерывное формирование частоты напряжения и тока. При непрерывном формировании синусоидальных напряжений или токов заданной частоты его можно считать практически безынерционным. Канал управления напряжением или током воздействует на тиристорный преобразователь, и его быстродействие может оцениваться быстродействием этого управляемого преобразователя

Как было установлено в §3.12, при таком управлении напряжением в схеме рис.6.13,а или током в схеме рис.6.13,5, которое обеспечивает постоянство потокосцепления ₁=const, или при постоянстве  или ₂ в пределах значений абсолютного скольжения s_as_k уравнение механической характеристики двигателя имеет вид

В системе ПЧ-АД (рис 6.13)

Дополнив эти уравнения уравнением движения электропривода, получим систему уравнений, которой соответствует представленная на рис.6.14 структурная схема системы ПЧ-АД.

Параметры  и Т_э в этой структуре должны соответствовать требуемому режиму работы электромеханического преобразователя: _=const, =const или ₂=const.

Динамические свойства системы ПЧ-АД как объекта управления менее благоприятны, чем динамические свойства регулируемых электроприводов постоянного тока, в связи с отсутствием независимого канала регулирования потока, аналогичного обмотке возбуждения двигателя с независимым возбуждением. Так, при питании от источника напряжения потокосцепления ₁, ₂,  сложно зависят от напряжения U₁ частоты f₁ и абсолютного скольжения s_a.

Для поддержания потока на заданном уровне при этих условиях необходимо регулирование его либо по отклонению, либо по принципу компенсации. В последнем случае управление напряжением u_ун (рис.6 13,о) или током u_ут (рис 6 13,б) реализуется на основе известной взаимосвязи между _ ₂ управляющими воздействиями U1 или I1 и факторами f1 и s_a.

Взаимосвязь U₁ и _ можно определить с помощью уравнений электрического равновесия, записанных в векторной форме для статического режима в осях х, у, и представить в виде

Зависимость (6.17а) позволяет для текущих значений частоты и абсолютного скольжения определять значения напряжения U₁ которые в статическом режиме работы соответствуют условию Она используется для формирования структуры функционального преобразователя, управляющего напряжением преобразователя частоты в процессе работы электропривода.

В динамических режимах изменениям момента двигателя соответствуют изменения угла между вектором напряжения или тока статора и вектором намагничивающего тока машины (см. рис.3.27,в и 3.40,б). При неизменной фазе вектора (или при питании от источника тока) изменения указанного угла реализуются за счет соответствующих перемещений ротора, и вследствие механической инерции возникают несоответствия, нарушающие выполнение условия Изменения основного потока машины вызывают проявления электромагнитной инерции, и динамические свойства электропривода как объекта управления существенно ухудшаются. Сравнивая векторные диаграммы на рис.3.27,в и 3.40,б, можно установить, что при частотно-токовом управлении, когда преобразователь частоты обладает свойствам и источника тока , изменения угла между управляющим вектором и вектором намагничивающего тока наиболее значительны. При этом для поддержания постоянства потока в динамике необходимо не только изменять амплитуду, но и корректировать фазу вектора тока статора.

Для определения необходимых для такого управления количественных связей запишем уравнения механической характеристики в осях х, у (_к=_0эл):

Уравнения потокосцепления ротора

Поставив цель поддерживать постоянным вектор потокосцепления ротора , совместим с его осью X, при этом _2x=_2max, _2y=0, и из уравнений потокосцепления получим

Подставляя эти соотношения и значения d_2x/dt=d_2y/dt=0 в уравнения механической характеристики, получаем

Отсюда

Векторная диаграмма, соответствующая полученным соотношениям, приведена на рис.6.13,в. Она показывает, что составляющая i_1x вектора тока статора является намагничивающим током и при ₂=const, i_1x=const. Составляющая i_1y представляет собой активный ток, которому при _=const пропорционален момент двигателя. С помощью векторной диаграммы определим искомые соотношения, позволяющие обеспечить условие ₂=const в динамических процессах:

Следовательно, при частотно-токовом управлении электроприводом система управления преобразователем должна обеспечивать возможность формирования первой гармоники тока статора для поддержания ₂=const в соответствии с (6.176) и (6.17в):

Поэтому показанный на рис.6.13,б инвертор тока ПЧ(ИТ) снабжен кроме входов управления амплитудой u_ут и частотой тока u_уч также входом управления фазой тока ы_уф. Уравнение механической характеристики при ₂=const

где

При идеальном поддержании 2=const электромагнитная постоянная Т_э в структуре на рис.6.14 равна нулю. Однако практически в связи с неточностями компенсации возможные проявления электромагнитной инерции следует учитывать малой некомпенсируемой постоянной Т_э.

Значение Т₃ при 1=const определяется по (3.89). Этим же соотношением можно пользоваться при =const, подставляя вместо х_к значение х'₂.

Однако следует отметить, что внимания заслуживают и такие законы управления, которые обеспечивают снижение потерь энергии, выделяющихся в двигателе. В частности, управление, близкое к оптимальному по критерию минимума потерь, осуществляется при поддержании абсолютного скольжения, равного критическому при всех нагрузках: s_a=s_k=const. Этому условию при каждом моменте М соответствуют наименьшие значения тока статора I₁=I_1min при М=const.

При использовании такого управления следует учитывать, что при уменьшении нагрузки от М_ном до 0 снижение потерь достигается из-за уменьшения тока намагничивания I_, т. е. потока машины Ф_. А это означает, что при управлении при s_a=s_k=const основной поток изменяется в широких пределах, что приводит к сильному влиянию электромагнитной инерции, существенно снижающему быстродействие при регулировании координат.

Коэффициент полезного действия системы ПЧ-АД с вентильным преобразователем несколько ниже, чем в системе ТП-Д, если имеется звено постоянного тока, так как при этом преобразование напряжения и тока осуществляется дважды.

Однако и в этом случае в связи с малыми потерями энергии в тиристорах он остается достаточно высоким.

Коэффициент мощности в этой системе близок к значению коэффициента мощности в системе ТП-Д, если в качестве звена постоянного тока используется тиристорный преобразователь. Он достаточно высок только в системах с неуправляемым выпрямителем, однако при этом отсутствует возможность рекуперации энергии в сеть в тормозных режимах электропривода. Использование режимов рекуперации энергии может существенно снижать потребление энергии установкой за цикл работы, поэтому при сравнении вариантов системы этот фактор необходимо учитывать.