СКАЛЯРНОЕ УПРАВЛЕНИЕ ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМОГО АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА

Принцип скалярного управления частотно-регулируемого асинхронного электропривода базируется на изменении частоты и текущих значений модулей переменных АД (напряжений, магнитных потоков, потокосцеплений и токов цепей двигателя). Управляемость АД при этом может обеспечиваться совместным регулированием либо частоты f₁ и напряжения U₁, либо частоты f₁ и тока I₁ статорной обмотки. Первый способ управления принято трактовать как частотное управление, второй – как частотно-токовое управление [1,4,6].

Выбор способа и принципа управления определяется совокупностью статических, динамических и энергетических требований к асинхронному электроприводу.

Скалярный принцип частотного управления является наиболее распространенным в асинхронном электроприводе. Ему свойственна техническая простота измерения и регулирования переменных АД, а также возможность построения разомкнутых систем управления скоростью.

Основной недостаток подобного принципа управления в трудности реализации желаемых законов регулирования скорости и момента АД в динамических режимах. Связано это с весьма сложными электромагнитными процессами, протекающими в АД.

Скалярное частотно-токовое управление АД характеризуется малым критическим скольжением и постоянством критического момента при постоянстве питающего АД тока и изменении его частоты. Однако в разомкнутых системах подобное управление практически исключено, поскольку с увеличением нагрузки (скольжения) резко падает магнитный поток АД и для обеспечения желаемых перегрузочных способностей АД по моменту потребуется заметное превышение номинальных значений напряжения питания и тока статора.

2.1. Разомкнутые системы управления

При невысокой точности и ограниченном диапазоне регулирования скорости АД наиболее целесообразным является его частотное управление в разомкнутой системе электропривода (рис.2.1). В подобных системах частота f₁ и напряжение U₁ питания двигателя М формируются пропорционально напряжению управления u_у в преобразователе частоты UZF на основе автономного инвертора напряжения. Для компенсации падения напряжения во внутренних сопротивлениях преобразователя UZF и возможных колебаний напряжения его питающей сети в преобразователях частоты, как источниках напряжения, принято использовать внутренние контуры стабилизации выходного напряжения преобразователя.

Для сохранения постоянства перегрузочной способности АД по моменту в функциональном блоке UF предусматривается такое соотношение между напряжениями задания частоты u_f и напряжения u_u на выходе ПЧ, при котором обеспечивается компенсация падения напряжения на активном сопротивлении обмоток статора. Теоретически это соотношение характеризуется нелинейной функцией, когда u_u снижается в меньшей степени, чем u_f [6].

Для большинства серийных преобразователей частоты эта функция линеаризуется выбором в статической характеристике блока UF двух базовых координат: u_u1 при u_f1 и u_u0 при u_f = 0 (рис.2.1). Первая координата определяет задание минимального значения частоты f₁ и соответствующего ему напряжения U₁ на выходе преобразователя UZF, при которых еще сохраняется постоянство соотношений U₁/f₁ = U_1.н / f_1.н. Для АД общего назначения при диапазоне регулирования скорости в разомкнутой системе частотного управления до 8:1 значение минимальной частоты выбирается в пределах (0,3 – 0,4) f_1н .

Вторая координата выбирается с учетом уменьшения теплоотвода заторможенного двигателя (в режиме динамического торможения) из условий ограничения тока статора на уровне (0,6 – 0,7) I_1н. При известном активном сопротивлении статорной обмотки АД это соответствует установке выходного напряжения преобразователя частоты при u_f = 0 на уровне U₁  (0,6 – 0,7) I_1н R₁.

Реально наименьшее значение выходной частоты преобразователя и соответствующее ему значение u_f полезно выбирать из условия f_1min  _0н рs_c /2 , при котором пусковой момент АД будет близок моменту сил сопротивления на валу двигателя. Здесь s_c скольжение АД при его статической нагрузке. При подобном выборе зона нечувствительности по сигналу управления скоростью АД будет минимальной и движение электропривода начнется практически одновременно с началом увеличения сигнала управления.

При вентиляторной нагрузке на валу АД, для которой М_с  ², соотношение между u_f и u_u должно обеспечивать закон управления близкий к постоянству U₁/ f₁² . На рис.2.1 это соотношение качественно отражено в регулировочной характеристике UF штриховой линией. Начальные значения частоты и напряжения на выходе преобразователя UZF, которые выбираются из тех же соображений, что и при М_с = const, будут заметно меньше за счет меньших значений пусковых моментов.

Для нагрузки с постоянной мощностью соотношение между u_f и u_u должно обеспечивать постоянство соотношения U₁²/f₁. Применение подобного соотношения при регулировании скорости АД выше номинальной, где наиболее часто используется этот режим, требует превышения напряжения питания АД выше номинального значения и, соответственно, завышения установленной мощности преобразователя частоты пропорционально . Практически это исключено, и частотное регулирование скорости выше номинальной выполняетсяU₁ = U_1н = const. При этом допустимый момент АД убывает в первом приближении обратно пропорционально увеличению частоты, а перегрузочная способность АД по моменту уменьшается обратно пропорционально.

В статическом режиме разомкнутая система частотного управления (рис.2.1) с приведенными выше соотношениями U₁/f₁ практически обеспечивает сохранение номинальной перегрузочной способности АД в диапазоне изменения частоты не более (810):1 при постоянной нагрузке и (1025):1 при вентиляторной [6]. При сохранении же заданной точности регулирования скорости АД диапазон ее регулирования в разомкнутой системе частотного управления значительно меньше, и не превышает при постоянной нагрузке и точности регулирования 10% диапазона 3:1. Недостатком разомкнутой системы частотного управления является и отсутствие ограничений от возможных перегрузок по току преобразователя и двигателя.