9.8. Типовые системы управления асинхронными частотно-регулируемыми электроприводами

Асинхронные регулируемые электроприводы переменного тока обычно строятся на базе асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором с частотным управлением. При этом в качестве источников питания применяются полупроводниковые преобразователи частоты, работающие в режиме источника напряжения (ПЧН) или источника тока (ПЧТ).

Целесообразный способ управления двигателем зависит от технических требований к системе электропривода. В электроприводах с ограниченным диапазоном регулирования и отсутствием динамических режимов работы применяется частотно-параметрический способ, при котором регулируется частота и действующее значение выходного напряжения ПЧН в соответствии с заданной скоростью.

В электроприводах с диапазоном регулирования до 100, к которым предъявляются высокие требования к динамическим режимам, применяется частотно-токовый способ, при котором регулируется частота и действующее значение выходного тока ПЧТ в зависимости от абсолютного скольжения двигателя при заданной скорости и действующей нагрузке.

В электроприводах с большим диапазоном регулирования скорости и высокими требованиями к динамическим характеристикам применяется регулирование мгновенных значений трехфазной системы питающих напряжений и токов с использованием векторного принципа регулирования.

Наиболее простыми системами частотного регулирования являются частотно-параметрические системы. Такие системы обеспечивают диапазон регулирования скорости до D=20:1 при статизме S_мс=5-10%. Обычно это разомкнутые по скорости системы частотного регулирования, у которых желаемое семейство механических характеристик асинхронного двигателя получается за счет формирования регулировочной характеристики преобразователя частоты – отношения величины напряжения, питающего двигатель, к частоте .

Функциональная схема такой системы электропривода приведена на рис.9.21. Частота f_ПЧ определяется величиной задаваемой скорости ω_з. Канал регулирования частоты преобразователя выполняется с линейной регулировочной характеристикой f_ПЧ(u_зс). В канал регулирования напряжения включается функциональный преобразователь ФП, который обеспечивает требуемое соотношение между частотой и напряжением. При этом желательно предусмотреть отрицательную обратную связь по выходному напряжению U_ПЧ, чтобы преобразователь частоты обладал свойством источника напряжения. Это позволяет достаточно точно выполнять требуемое соотношение между частотой и напряжением. Наиболее часто встречающиеся соотношения рассмотрены в подразд. 6.2.

Электроприводы с частотно-параметрическим регулированием скорости примечаются в технологических установках, работающих в продолжительном режиме с относительно медленным изменением скорости. Наиболее часто они применяются для регулируемого привода насосов и вентиляторов. Такие системы целесообразно также применять, если по технологии требуется одновременное регулирование скорости группы однотипных электроприводов. В этом случае преобразователь частоты является общим источником питания для группы приводов.

Асинхронные электроприводы с диапазоном регулирования скорости до D=100:1 и высокими требованиями к динамике, когда осуществляются частые пуски, торможения и реверсы, выполняются как системы с частотно-токовым управлением. В таких системах преобразователь частоты работает в режиме источника тока. Это достигается применением преобразователей частоты типа ПЧТ или преобразователей частоты типа ПЧН, которые охватываются отрицательной обратной связью по току. Система регулирования осуществляет задание частоты и величины тока статора в соответствии с заданной скоростью и нагрузкой на валу двигателя.

Функциональная схема асинхронного электропривода с частотно-токовым управлением приведена на рис.9.22. Система регулирования двухканальная: содержит канал частоты и канал тока статора. Выходная частота преобразователя ПЧТ задается пропорционально заданной скорости. Ток статора задается в зависимости от величины рассогласования заданной и действительной скоростей

,

которое равно абсолютному скольжению. Величине абсолютного скольжения примерно пропорционален ток ротора . Приведенный к статору он определяет активную составляющую тока. Реактивная составляющая, пропорциональная току намагничиванияподдерживается постоянной (см. рис.3.6). Таким образом, задание на ток статора будет

.

Это выражение для задания тока формируется функциональным преобразователем ФП, характеристика которого дана на рис.9.23. Для повышения быстродействия контур тока настраивается на модульный оптимум, для чего предусмотрен регулятор тока РТ и обратная связь по току статора с датчиком тока ДТ. Измерение скорости производится тахогенератором.

Жесткость механических характеристик в системе электропривода по схеме рис.9.22 близка к жесткости естественной механической характеристики асинхронного двигателя. Поэтому достижимый диапазон регулирования скорости в этой системе может составить примерно D=20:1.

При необходимости получения большого диапазона регулирования следует внести в систему замкнутый контур регулирования скорости, как это показано на функциональной схеме рис.9.24. Данная система управления является двухканальной и содержит контур скорости и контур тока, которые настраиваются на модульный оптимум. На выходе регулятора скорости формируется сигнал, пропорциональный частоте питания f₁ и скорости вращения поля статора. Вычитая из этого сигнала значение действительной скорости , формируется сигнал, пропорциональный абсолютному скольжению, который подается на вход ФП. Функциональный преобразователь в соответствии с зависимостью, указанной на рис.9.23, вырабатывает сигнал задания тока статора, который подается на вход контура тока, имеющего ПИ-регулятор. Частотно-токовое управление может применяться только для однодвигательных электроприводов.

Наиболее высокие динамические характеристика и диапазон регулирования скорости до 10000 могут быть получены при векторном управлении асинхронным двигателем. Принцип векторного управления состоит в определении и принудительном установлении мгновенных значений токов в обмотках двигателя таким образом, чтобы обобщенные векторы токов и потокосцеплений занимали в пространстве положение, обеспечивающее создание электромагнитного момента нужной величины.

Обобщенным вектором тока (потокосцепления) называется пространственный вектор, образованный токами во всех обмотках статора или ротора двигателя. Векторная диаграмма асинхронной машины показана на рис.9.25.

Электромагнитный момент, создаваемый двигателем, равен

,

где: - пространственные векторы токов или потокосцеплений статора и ротора;;

- пространственный угол между векторами и.

Очевидно, что минимальные значения токов а, следовательно, потерь в обмотках машины будет, если векторы иперпендикулярны. В системах векторного управления нет необходимости определять абсолютное пространственное положение обоих векторови. Важно определять положение одного вектора относительно другого. Поэтому один из векторов принимается за базовый, а положение другого контролируется углом.

С этой целью используют не обычные неподвижные пространственные координаты, связанные с конструкцией электрической машины, например со статором – (координаты ), а координаты, оси которых либо вращаются в пространстве с постоянной скоростью (координатых-у), либо координаты, связанные с одним из контролируемых векторов – на рис.9.25 – это координаты g-i, связанные с вектором потокосцепления статора .

Системы векторного управления обычно строятся по принципу подчиненного регулирования. Внешний контур – контур скорости осуществляет регулирование скорости и дает задание внутреннему контуру – контуру момента, который выполняется в векторной форме.