4. Содержание отчета

5.1. Цель работы.

5.2. Функциональная схема преобразователя.

5.3. Схема замещения двигателя при переменной частоте.

5.4. Графики зависимостей, полученные в ходе работы.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3

ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ

ПРИ РАЗЛИЧНЫХ ЗАКОНАХ ЧАСТОТНОГО УПРАВЛЕНИЯ

Цель работы. Изучение основных законов частотного управления и их особенностей; получение электромеханических характеристик двигателя для различных законов управления.

1. Теоретические сведения

Основные законы частотного регулирования

1.1. Основной закон М. П. Костенко

В работе, положившей начало частотному управлению, академик М. П. Костенко установил следующий закон управления амплитудой и действующим значением напряжения в зависимости от частоты: чтобы обеспечить оптимальный режим работы асинхронного двигателя при всех значениях частоты и нагрузки, относительное напряжение двигателя необходимо изменять пропорционально произведению относительной частоты на корень квадратный из относительного момента двигателя. Этот закон частотного управления можно записать уравнением:

. (1.1)

Закон был получен в пренебрежении падением напряжения в активных сопротивлениях статора и насыщением магнитной цепи.

Основополагающим в законе является то, что напряжение необходимо регулировать так, чтобы коэффициент статической перегружаемости

(1.2)

оставался одинаковым при разных частотах. Так как максимальный момент изменяется пропорционально квадрату потока в воздушном зазоре Ф, то для этого необходимо, чтобы

. (1.3)

Но в первом приближении

, (1.4)

откуда и следует основное уравнение (1.1).

Закон учитывает свойства нагрузки. Если она с уменьшением частоты также уменьшается из-за сопутствующего почти пропорционально частоте уменьшения угловой скорости, то нет смысла сохранять поток двигателя на том же уровне. Его можно уменьшить настолько, чтобы только сохранить старый номинальный коэффициент статической перегружаемости, т. е. запас статической устойчивости.

Уменьшение потока с уменьшением нагрузки при том же запасе устойчивости дает уменьшение потерь в стали двигателя и повышает экономичность привода с частотным управлением и часто меняющейся нагрузкой по сравнению с асинхронным двигателем при постоянной частоте [4].

Практическое применение основного закона ограничивают трудности непосредственного измерения момента на валу двигателя.

1.2. Закон частотного управления U / f₁ = const

Нетрудно видеть, что этот закон получается из закона Костенко при постоянном номинальном моменте. Его называли номинальным потому, что паспортные данные специальных серий короткозамкнутых асинхронных двигателей, выпускаемых промышленностью, указывались применительно к закону U = U_ном. При  = 10,5 двигатель работает в условиях, мало отличающихся от номинальных. Но при дальнейшем уменьшении частоты момент АД значительно уменьшается. Это происходит из-за возрастающего влияния падения напряжения в активных сопротивлениях статора I₁r, что приводит к уменьшению ЭДС

(1.5)

и магнитного потока двигателя.

При уменьшении частоты статора поток снижается за счет падения I₁r тем больше, чем больше частота ротора f₂ (т. е. абсолютное скольжение).

Можно сформулировать следующее общее условие работы АД: при управлении по номинальному закону U = U_ном и при пониженных частотах двигатель имеет такие же значения токов, потоков, абсолютного скольжения и момента, какие он имел бы при номинальной частоте, но с увеличенными обратно пропорционально частоте активными сопротивлениями статора. Все мощности уменьшаются пропорционально частоте, а относительное скольжение увеличивается обратно пропорционально частоте.

Таким образом, можно сделать вывод: закон U / f₁ = const применим для электроприводов с небольшим диапазоном регулирования ( 1 2).

Положительной особенностью данного закона является простота реализации в системах с широтно-импульсной модуляцией.

1.3. Закон постоянства полного потока статора (закон Ir-компенсации)

Органический недостаток номинального закона управления напряжением заключается в уменьшении потока с понижением частоты из-за падения напряжения в первичных активных сопротивлениях фаз двигателя. Отсюда возникла идея обеспечения такого закона регулирования напряжения, при котором устранялось бы влияние этих сопротивлений на поток двигателя.

Для решения этой задачи предложено регулировать напряжение U₁ при изменении нагрузки так, чтобы скомпенсировать влияние на величину E₁ падения напряжения на активном сопротивлении статора [4]:

.

При этом выполняется условие

или ₁ = const.

Свойства данного закона:

1. максимальный момент не зависит от частоты и остается неизменным;

2. увеличивается перегрузочная способность двигателя по сравнению с естественным режимом;

3. абсолютное скольжение  при любом значении момента не зависит от частоты;

4. рабочий поток ₀ не зависит от частоты, а от нагрузки он зависит так же, как при номинальной частоте;

Основным достоинством режима ₁ = const является то, что при всех частотах сохраняются такие же условия работы двигателя, как при номинальной частоте.

1.4. Закон постоянства рабочего потока (₀ = const)

Компенсация падения напряжения в активных сопротивлениях статора обеспечивает постоянство полного потока статора при всех частотах, но не устраняет снижения рабочего потока (т. е. потока в воздушном зазоре) с увеличением нагрузки из-за падения напряжения в индуктивных сопротивлениях, учитывающих потоки рассеяния статора. Это снижение рабочего потока сказывается в равной мере при всех частотах [5].

Режим постоянного рабочего потока может быть получен аналогично режиму постоянного полного потока статора компенсацией падения напряжения в полных первичных сопротивлениях схемы замещения соответствующим повышением напряжения на зажимах двигателя в функции частоты и нагрузки.

Если эти условия выполнены, то максимальные значения момента и скольжения еще более возрастают. Максимальный момент увеличивается по сравнению с режимом Ir-компенсации более чем в 2 раза. Перегрузочная способность по сравнению с естественным режимом возрастает приблизительно в 5 раз. Поэтому в электроприводах, где требуется обеспечить широкую статическую и динамическую устойчивость, закон ₀ = const наиболее эффективен.

Но существуют ограничения по применению данного закона. Компенсация падения напряжения в полных сопротивлениях статора требует повышения U₁ с возрастанием нагрузки. Поэтому в верхнем диапазоне частот при больших моментах требуемое напряжение может оказаться нереализуемым посредством преобразователя частоты.

1.5. Закон постоянства полного потока ротора (₂ = const)

Если путем регулирования напряжения компенсировать падение напряжения в полных первичных сопротивлениях схемы замещения и вторичном сопротивлении рассеяния ротора по условию

,

то получим режим частотного управления, при котором момент двигателя не имеет максимума и растет неограниченно с ростом скольжения  [5].

Но есть существенные ограничения по этому закону:

1. при больших  близких к _ном закон ₂ = const может оказаться нереализуемым из-за большой величины напряжения U₁.

2. При больших  из-за роста ₀ неизбежно наступает насыщение (режим ₂ = const осуществим при  < 3_ном).

На рис. 1 приведен пример механических характеристик асинхронного двигателя при различных законах управления.

Рис. 1. Механические характеристики двигателя при частотном управлении