книги из ГПНТБ / Бродовский В.Н. Приводы с частотно-токовым управлением
.pdfВ. Н. Бродовский, Е. С. Иванов
ПРИВОДЫ С ЧАСТОТНОТОКОВЫМ
УПРАВЛЕНИЕМ
Под редакцией доктора техн. наук, проф. В. Н. Бродовского
«Э Н Е Р Г И Я» М О С К В А 1974
Б 88 |
U - = = ~ |
МП 03 С - |
|
УДК62—83:621.313.3.07<У / / ' |
fo^'O0^ |
Бродовский В. Н., Иванов Е. С.
Б 88 Приводы с частотно-токовым управлением. Под ред. В. Н. Бродовского. М., «Энергия», 1974.
168 с. с ил.
В книге рассматривается частотно-токовый способ управления ма шинами переменного тока, приводится обобщенная схема и дается анализ приводов с частотно-токовым управлением. Значительное вни мание уделяется теоретическим и практическим вопросам построения преобразователей энергии с регулируемым выходным током, а также схемам управления приводами. Исследуются статические и динамиче ские характеристики приводов с частотно-токовым управлением.
Книга предназначена для инженеров и «аучных работников,, зани мающихся проектированием электроприводов переменного тока, и мо жет быть полезна студентам старших курсов вузов соответствующих специальностей.
„ |
30307-013 |
|
|
|
051(01)-74 |
, 7 4 " 7 4 |
6 П 2 Л - 0 8 1 |
©Издательство «Энергия», 1974 г.
Владимир |
Николаевич |
Бродовский |
|
|
|
Евгений |
Серафимович |
Иванов |
|
|
|
Приводы с частотно-токовым управлением |
|
||||
Редактор Ю. С. М а р и н и н |
|
|
|||
Редактор |
издательства |
Л. А. Р е т м и н а |
|
||
Обложка |
художника И. Г. И в а н о в а |
|
|
||
Технический редактор Л. Н. Н и к и т и н а |
|
||||
Корректор Е. X. |
Г о р б у н о в а |
|
|
||
Сдано в набор 17/VII |
1973 г. |
Подписано к печати 23/1 1974 г. |
Т-02945 |
||
Формат 84x108'/аа |
|
|
Бумага типографская № 2 |
||
Усл. печ. л. 8,82 |
|
|
Уч.-нзд. л. 9,52 |
||
Тираж 8 000 экз. |
|
Зак. 318 |
Цена |
49 коп. |
|
Издательство |
сЭнергия». Москва, М-114, |
Шлюзовая наб., 10. |
|||
|
Московская типография № 10 Союзполиграфпрома |
|
|||
при Государственном комитете Совета Министров СССР |
|
||||
по делам издательств, полиграфии и книжной торговли. |
|
||||
|
Москва, |
М-114, Шлюзовая |
наб., 10 |
|
ПРЕДИСЛОВИЕ |
|
|
Необходимость |
создания |
электропривода, |
способного работать в замкнутых скоростных |
||
и позиционных системах управления с высо |
||
кими показателями |
качества |
регулирования, |
возникает при решении различных практиче
ских задач довольно часто. В |
настоящее |
время наибольшее распространение |
получили |
электроприводы с асинхронными двигателями. Большой класс синхронных машин, примене ние которых в ряде случаев предпочтительнее асинхронных, практически не используется. Это объясняется в значительной степени свой ствами наиболее распространенного в настоя щее время частотного способа управления скоростью машин переменного тока, а также особенностями этих машин.
Предлагаемая вниманию читателей книга посвящена теоретическим и практическим во просам построения электропривода с различ ными типами машин переменного тока при частотно-токовом управлении. Показано, что частотно-токовое управление синхронными и асинхронными машинами дает приводу такие
свойства, которые |
позволяют |
использовать |
его в замкнутых |
системах |
регулирования. |
Рассматриваются вопросы построения стати ческого преобразователя энергии с регулируе мым выходным током, описываются схемы управления приводами. Статические и дина мические свойства отдельных узлов и при вода в целом авторы рассматривают при не которых допущениях, приводящих к резуль татам с достаточной для 'практики 'степенью точности. Практические исследования приво дов с частотно-токовым управлением, описан-
ные в книге, подтверждают справедливость сделанных выводов.
Из-за ограниченного объема книги в ней освещены только некоторые особенности ча стотно-токового управления машинами пере менного тока. Ряд вопросов теории и практи
ки |
приводов |
с частотно-токовым управлением |
в |
настоящей |
книге рассматривается впервые, |
навторы предполагают возможную дискуссию
икритику некоторых 'положений и выводов, приводимых в книге.
Авторы выражают благодарность рецензен ту канд. техн. наук Ю. М. Гусяцкому за по лезные замечания по рукописи, а также канд. техн. наук Ю. С. Маринину за большую рабо ту по редактированию книги и ценные сове ты, которые были приняты во внимание.
Авторы просят направлять возможные за мечания по адресу: 113114, Москва, М-114, Шлюзовая наб., 10. Издательство «Энергия».
Авторы
Г Л А В А П Е Р В А Я
АНАЛИЗ ПРИВОДОВ С ЧАСТОТНО-ТОКОВЫМ УПРАВЛЕНИЕМ
1-1. ВВЕДЕНИЕ
Использование в регулируемом электроприводе ма шин переменного тока (асинхронных двигателей с короткозамкнутым или с фазным ротором, бесконтактных синхронных двигателей) объясняется достоинствами, которые имеют эти машины по сравнению с коллектор ными машинами постоянного тока. Известно, например,
что асинхронный двигатель с короткозамкнутым |
ротором |
по сравнению с коллекторным двигателем постоянного |
|
тока при одинаковых мощности и частоте |
вращения |
в 1,5—2 раза легче и в 3 раза дешевле. Момент |
инерции |
ротора и отношение его к номинальному моменту, опре деляющие динамические свойства электрической маши
ны, у асинхронного двигателя в 2—3 |
раза меньше. Но |
|||
главное |
достоинство асинхронного |
двигателя |
состоит |
|
в том, |
что он не имеет коллектора |
и |
потому |
является |
самым простым, надежным и экономичным двигателем
[Л. 20, 27]. Благодаря этим преимуществам |
асинхронного |
||||||
двигателя |
электропривод |
с ним |
находит |
применение |
|||
в |
первую |
очередь |
там, |
где |
имеют |
значение |
надежность |
и |
экономичность, |
где |
условия эксплуатации являются |
тяжелыми и невозможно обеспечить периодическое об служивание во взрывоопасных или агрессивных средах.
Эффективное и экономичное использование машин переменного тока в регулируемом электроприводе связа но с применением таких способов управления, при кото рых изменение скорости машин сопровождается измене нием частоты и питающих напряжений (токов) [Л. 11, 20, 30]. Основная трудность, с которой приходится стал киваться при разработке систем управления, заключает ся в создании надежного управляемого преобразователя
5
энергии, необходимого для питания машины переменного тока регулируемым по величине и частоте напряжением (током). Нельзя сказать, что эта проблема в настоящее время получила универсальное и окончательное реше ние. Именно поэтому, несмотря на высокие технико-эко номические показатели машин переменного тока по сравнению с коллекторными машинами постоянного то ка, регулируемые приводы переменного тока не могут заменить приводы постоянного тока во многих областях применения управляемого привода.
На рис. 1-1 показана структурная схема регулируе мого привода переменного тока. На вход схемы управ
ления |
приводом |
СУ поступает |
сигнал |
управления |
«у . |
|||||||||
Схема |
управления |
обеспечивает |
выполнение |
тех |
или |
|||||||||
иных |
статических |
законов |
управления |
двигателем |
пере |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
менного тока Д, на валу кото |
||||||||
|
|
|
|
|
|
рого имеется нагрузка Я. Дви |
||||||||
|
СУ |
|
|
|
|
гатель |
питается |
от |
регулируе |
|||||
|
пз |
|
|
|
мого |
преобразователя энергии |
||||||||
|
|
|
|
ПЭ. |
Питание |
привода |
осуще |
|||||||
|
|
|
|
|
|
ствляется |
от |
промышленного |
||||||
Рис. |
1-1. |
Структурная |
схе- |
источника |
напряжения |
ПИН. |
||||||||
ма переменного |
тока. |
|
|
В |
настоящее |
время |
мож |
|||||||
|
|
|
|
|
|
но |
выделить |
два |
экономич |
|||||
ных |
способа |
управления |
машинами |
переменного |
тока: |
частотный способ управления скоростью машины и ча
стотно-токовый способ управления |
моментом |
машины |
|
(Л. 11, 20, 22]. При |
частотном способе |
сигнал иу |
на входе |
привода (рис. 1-1) |
задает частоту и напряжение |
питания |
двигателя, причем напряжение в общем случае должно формироваться с учетом параметров нагрузки и требо ваний, предъявляемых к режимам работы и регулиро вочным характеристикам машины переменного тока и привода в целом. Это означает, что схема управления приводом (рис. 1-1) должна обеспечивать выполнение определенных, достаточно сложных законов регулирова ния напряжения питания двигателя, для чего в нее долж ны поступать сигналы о параметрах нагрузки, завися щих в общем случае от углового положения вала двига теля и от времени. Измерение параметров нагрузки и учет их в схеме управления представляют собой доволь но сложную техническую задачу, и потому в настоящее время практическое применение нашли приводы с ча стотным управлением, в которых учет параметров на-
6
грузки либо совсем не производится, либо производится приближенно. Например, для решения задач, не требую щих глубокого регулирования скорости, находят приме нение приводы с частотным управлением, в которых и частота, и питающее двигатель напряжение формиру ются пропорционально сигналу на входе привода. В тех случаях, когда речь идет о глубоком регулировании ско
рости, |
когда к режимам |
работы машин переменного |
тока |
и к регулировочным |
характеристикам приводоз |
предъявляются специальные требования (например, ра бота с постоянным потоком или с минимумом потерь в двигателе, высокая перегрузочная способность по мо менту и т. д.), формирование напряжения в приводах с частотным управлением ведется в соответствии с опре
деленными достаточно |
сложными статическими |
закона |
ми регулирования напряжения [Л. 20, 30]. |
|
|
Посмотрим, в каких системах регулирования и для |
||
решения каких задач |
может быть использован |
привод |
с частотным управлением. Прежде всего необходимо от метить применение привода с частотным управлением в разомкнутой системе регулирования скорости, которая не отличается от схемы привода на рис. 1-1. В Этом слу чае поддержание скорости нагрузки, задаваемой вход ным сигналом иу, обеспечивается исключительно за счет свойств самой машины переменного тока. При использо вании приводов на базе синхронных машин в разомкну той системе регулирования можно получить строгое со ответствие средней частоты вращения машины входному сигналу. О соответствии мгновенных значений скорости машины входному сигналу говорить не приходится, так как в разомкнутой системе регулирования возмущающие моменты нагрузки при неизменной частоте питания син хронной машины уравновешиваются за счет изменения углового положения ротора и, следовательно, за счет из менения мгновенного значения скорости. Если в разомк нутой системе регулирования использовать привод с асинхронной машиной, то о соответствии средней ско рости машины входному сигналу можно говорить, под разумевая лишь первое приближение. Объясняется это тем, что момент машины возникает за счет скольжения ротора относительно поля статора, частота вращения ко торого задается входным сигналом.
Из-за особенностей регулировочных характеристик машин переменного тока в схеме регулирования рис. 1-1
7
приходится ограничивать скорость изменения входного
сигнала |
(скорость |
изменения частоты напряжения |
пйта- |
|
№ ) , в |
противном" |
случае |
'синхронная машина |
"может |
"выпасть 'йз'синхронизма, а |
асинхронная — опрокинуться. |
По этим же причинам нельзя использовать привод с ча
стотным управлением при |
наличии ударной |
|
нагрузки, |
|||||||
|
|
|
превышающей |
|
даже |
на |
||||
|
|
|
малое |
время |
расчетный |
|||||
|
|
|
момент |
на |
валу |
машины. |
||||
|
|
|
Разомкнутая |
система |
ре |
|||||
|
|
|
гулирования |
|
позволяет |
|||||
|
|
|
обеспечить |
|
поддержание |
|||||
|
|
|
средней |
частоты |
враще |
|||||
|
|
|
ния |
нагрузки |
в |
соответст |
||||
|
|
|
вии |
с входным |
|
сигналом |
||||
|
|
|
только |
при |
|
отсутствии |
||||
|
|
|
резких |
и |
|
значительных |
||||
|
|
|
колебаний |
входного |
сиг |
|||||
|
|
|
нала и момента на валу |
|||||||
Рис. 1-2. Обобщенная |
четырех- |
машины |
|
|
переменного |
|||||
обмоточная |
двухфазная |
машина |
тока. |
|
|
|
|
|
|
|
переменного |
тока. |
|
|
Рассмотрим |
|
рис. |
1-2. |
|||
|
|
|
На |
«ем |
приведена схема |
|||||
четырехобмоточной |
двухфазной двухполюсной |
|
машины, |
ротор которой в общем случае имеет различные проводи мости по продольной и поперечной осям d и q. За на чальное положение осей принято положение, при котором ось d совпадает с осью абсцисс. На роторе машины раз
мещены две |
обмотки |
с числами эффективных витков |
и wq таким |
образом, |
что магнитные оси обмоток совпа |
дают с осями d и q соответственно. На статоре машины размещены обмотки wg и Wf, магнитные оси которых совпадают с осями ординат и абсцисс. Такая обобщен ная машина может быть положена в основу исследова ния различных типов реальных машин. Например, для синхронного двигателя с независимым возбуждением не обходимо учитывать обмотки Wf, we и Wd, а обмотку, wq исключить из рассмотрения. Для синхронного реактив ного двигателя учитываются только обмотки Wf и wg. При этом предполагается, что на роторе синхронной ма шины нет короткозамкнутых (пусковых) обмоток. Для короткозамкнутого асинхронного двигателя необходимо брать все четыре обмотки и принимать равными между собой проводимости ротора по осям d и q.
8
Запишем полную систему дифференциальных уравне ний, отражающих зависимости напряжений на обмотках обобщенной машины от параметров, режимов работы машины и нагрузки, полагая, что насыщение магннтопровода и потери в стали машины отсутствуют [Л. 1, 27, 34]:
uf = Rfif + Л. (Lfif) |
+ |
(Lfgig) + |
+4(Lldid)+4-(Li4i4y, |
|
(1-1) |
|
|
' |
+4f(L^ |
|
|
+ -aT(LM> |
|
|
(1-2) |
|||
|
U d = |
4t (Lrft) |
+ ~li (Ldali) |
+ |
R*id |
+ |
|
|
||||
|
|
|
+ ^ ( L d / , ) + 4(Ld ? f9 ); |
|
|
(1-3) |
||||||
|
|
|
+ |
^ |
+ |
_d |
|
|
|
|
(1-4) |
|
|
|
|
dt |
|
|
|
|
|||||
где Rf,...,Rq |
— активные |
сопротивления |
обмоток; Lf,... |
|||||||||
..., |
L q — индуктивности |
обмоток; |
Lfg,..., Lqd |
— взаимные |
||||||||
индуктивности |
обмоток; |
ij,...,iq |
— токи |
в |
обмотках |
|||||||
(мгновенные |
значения). |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
Отметим, что индуктивности и взаимные индуктивно |
|||||||||||
сти обмоток в общем случае зависят от угла |
поворота |
6 |
||||||||||
ротора (оси |
d), |
отсчет |
которого |
на р,ис. 1-2 |
ведется |
от |
||||||
оси |
абсцисс |
против |
направления |
вращения |
часовой |
|||||||
стрелки. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Выражение для электромагнитного момента, разви |
|||||||||||
ваемого машиной, записывается |
следующим |
образом: |
|
м= = |
1 |
.2 |
dLf |
i 1 |
.2 dig |
1 |
T l |
t dB "Г 2 lg dB H - i |
|||||
,2 |
dLq |
|
|
|
|
dLdq |
a |
dB |
|
|
|
|
dB |
|
|
|
d i g 2 |
i . . |
dLn |
, |
~}~ f V « |
dB |
" r w |
da |
1- igid |
e |
d L |
d |
^ |
a |
dB |
|
1 |