зеленов / УЧЕБ_ПОСОБИЕ_часть_2 / редакт / 15_9

15.9 Электропривод с частотно-управляемым

синхронным двигателем*

Современное состояние частотно-регулируемых электроприводов как в части выполнения их силовой основы – силовых преобразователей частоты, так и средств управления и регулирования позволяет заменять нерегулируемые приводы большой гаммы механизмов (например, центробежных и поршневых насосов и компрессоров, вентиляторов, аглоэксгаустеров, газо- и воздуходувок, различного вида мельниц, дробилок, ножниц и пил, черновых клетей прокатных станов и т.д.) регулируемыми, а также делает технически разрешимой замену регулируемого привода постоянного тока. Кроме того, открылась возможность резкого увеличения единичной мощности и перегрузочной способности, недостижимого при применении двигателей постоянного тока из-за ограничений по условиям коммутации. Это даст возможность разрабатывать агрегаты повышенной производительности.

Практически все ведущие электротехнические фирмы увеличивают ежегодный выпуск электроприводов переменного тока. Прогнозируется рост производства этих электроприводов на 20-30%. Рост их производства и обоснованность прогноза обусловлены в основном двумя устойчивыми тенденциями:

– автоматизацией производственных процессов с использованием АСУТП, что предполагает применение регулируемых электроприводов;

– применением энергосберегающих технологий в различных отраслях производства, которые дают существенный экономический эффект.

^*)Раздел подготовил к.т.н. Е.В. Полилов

Существенный процент роста производства регулируемых электроприводов дают частотно-регулируемые электроприводы переменного тока. Это вызвано тем, что многие ведущие фирмы освоили в производстве новые комплектующие изделия: силовые полупроводниковые приборы, в том числе силовые транзисторы IGBT, запираемые тиристоры GTO и IGCT; микропроцессорные средства построения систем управления, защит и регулирования электроприводов; специальные двигатели переменного тока.

Перечисленные группы новых комплектующих изделий позволили получить скачок величин основных показателей (энергетических, массогабаритных и эксплуатационных) электроприводов переменного тока.

Электропривод с частотно-управляемым синхронным двигателем является наиболее универсальным и перспективным регулируемым электроприводом переменного тока в широком диапазоне мощностей (от десятков ватт до нескольких десятков тысяч киловатт) и скоростей вращения (от единиц до 12 тыс. мин^-1 и выше). Они выполняются как с синхронными дви­гателями (СД) традиционной конструкции (турбо- и гидромаши­ны), так и специальной (с постоянными магнитами, галополярные и т. д.).

СД различной мощности находят всё более широкое применение во многих отраслях народного хозяйства благодаря ряду технико-экономических преимуществ над асинхронными двигателями. Они обладают более высоким КПД, значительной перегрузочной способностью, повышенной устойчивостью работы при снижении напряжения в питающей сети и возможностью регулирования отдаваемой реактивной энергии в зависимости от степени возбуждения и момента нагрузки на валу.

Особенно целесообразно применение СД в тех случаях, когда питающие сети имеют низкий вследствие большого числа потребителей реактивной энергии. Используя естественные свойства отдавать избыток реактивной энергии при потреблении активной, можно регулирование возбуждения СД компенсировать недостаток реактивной энергии в сети. Номинальный СД носит, как правило, опережающий характер.

Независимо от типа преобразователя (транзисторный со звеном постоянного напряжения в сервоприводах, тиристорный со звеном постоянного тока в электроприводах по схеме «вентильного двига­теля», НПЧ в безредукторных электроприводах по схеме «НПЧ – низкочастотный СД») источник питания переменной частоты ра­ботает в режиме источника тока, который организуется парамет­рически либо посредством управления.

Другой особенностью этих электроприводов является организа­ция управления вентильным преобразователем по положению вала СД (наличие датчика положения вала СД), реже по положению вектора магнитного потока. Выбор способа управления определя­ется требованиями электропривода по диапазону регулирования скорости и к динамическим характеристикам. Глубокорегулируемые и реверсивные электроприводы разрабатываются с примене­нием датчика положения (ДП) на валу приводного двигателя; он же используется и как датчик скорости,

С ростом единичной мощности промышленных агрегатов, а так­же требований к перегрузочной способности и быстродействию в мировой практике появилась тенденция к применению безредукторного привода переменного тока, выполняемого по системе «НПЧ – низкочастотный СД».

Первыми установками с безредукторным приводом переменно­го тока были размольные мельницы повышенной производитель­ности цементной и горнорудной промышленности, где применение электропривода по системе «НПЧ – низкочастотный СД» было обусловлено ограничениями по предельному моменту, передавае­мому редуктором.

В периодической печати опубликованы результаты промышлен­ного внедрения и исследований безредукторного привода метал­лургических прокатных механизмов: блюминга 4000 кВт, 60/120 мин^-1; черновой клети широкополосного стана 2000 кВт, 140/280 мин^-1 и ряда других прокатных станов. Более того, в свете реконструкции толстолистового стана 2800 Алчевского металлургического комбината в 2005-2006 г. руководством комбината принято решение о приобретении и установке для клети «Кварто» вместо существующего приводного электродвигателя постоянного тока двух синхронных электродвигателей суммарной удвоенной мощностью. С фирмой Alstom (Германия) заключен контракт на поставку соответствующего электрооборудования, в том числе и преобразователей частоты для питания двигателей.

Для металлургических приводов решающими являются такие преимущества частотно-управляемого СД (по сравнению с двига­телями постоянного тока), как отсутствие ограничений по мощнос­ти и, следовательно, отсутствие необходимости в двух- и трехъякорных конструкциях, значительно более высокая перегрузочная способность (до 5–6 - кратной величины) и скорость нарастания момента (до 500–1000 М_ном/с), а также возможность существен­ного улучшения динамических показателей в модификациях СД специального исполнения.

Другими областями применения безредукторного привода с частотно-управляемым СД являются шахтные подъемные машины, гребные винты крупных ледоколов и т. п. В зависимости от требо­ваний к быстродействию электропривод по системе «НПЧ – низко­частотный СД» может быть реализован с СД двух типов: неком­пенсированным или компенсированным (с дополнительной обмот­кой возбуждения поперечной оси). Как показывают исследования, при быстродействии, характеризуемом временем нарастания мо­мента менее 30–40 мс, предпочтительно применение компенсиро­ванного СД: это позволяет снизить установленную мощность НПЧ. Однако следует указать, что в этом случае мощность реверсивного тиристорного возбудителя обмотки возбуждения поперечной оси может составить до 1/3 мощности НПЧ.

Разработка безредукторного электропривода с частотно-управ­ляемым СД требует комплексного подхода к выбору основных па­раметров уникального силового оборудования: высокомоментного СД; НПЧ, возбудителя. Массогабаритные показатели этого обору­дования определяются, в основном, заданным режимом работы СД и требованиями к быстродействию.

Управление переходными процессами в машинах переменного тока основывается на необходимости организовывать управление по переменным состояния: вектору тока статора , вектору тока ротора , потокосцеплению статора , потокосцеплению ротора , главному потокосцеплению машины . Эти переменные состояния взаимосвязаны перекрёстными связями.

Появление в настоящее время широкой номенклатуры вычислительной техники позволяет программно реализовать блоки, дающие возможность разделить скрытые управляющие сигналы. Базовым элементом такой системы управления электроприводом переменного тока является преобразователь координат (векторный преобразователь). При помощи преобразователя координат осуществляется преобразование сигналов, пропорциональных переменным состояния (,,,,) из системы координат, жёстко связанной со статором () или с ротором (), во вращающуюся систему координат 1-2 в соответствии с формулами:

(15.24)

где - угол, отсчитываемый от оси до вектора .

Составляющие и могут быть получены при помощи датчиков Холла, расположенных по осям , с последующим нормированием по амплитуде или при помощи вычислителя, использующего измерительные обмотки.

Составляющие и в системе координат 1-2 получаются в виде сигналов постоянного тока, значения которых определяются выражениями:

(15.25)

По этим составляющим токов может быть организована система подчинённого управления потоком и моментом двигателя.

Момент, развиваемый машиной переменного тока, определяется векторным произведением переменных состояния:

(15.26)

Причём оба вектора должны быть взяты в одной и той же системе координат.

Общее выражение векторного произведения двух векторов в произвольной системе координат имеет вид:

. (15.27)

Нетрудно видеть, что если взять систему координат, жёстко связанную с первым вектором, входящим в векторное произведение (15.26), то формула (15.27) преобразуется к виду:

. (15.28)

Выражение для момента машины упростится, и будет определяться амплитудой первого вектора и составляющей второго, находящегося в квадратуре к первому вектору.

Выбор переменных состояния и, следовательно, системы координат определяется конкретным типом машины переменного тока и назначением привода.

При управлении приводом переменного тока в большинстве случаев целесообразно стабилизировать модуль потокосцепления и управлять моментом, развиваемым двигателем, при помощи управления составляющей вектора тока или . Раздельное управление модулем потокосцепления и составляющей вектора тока всегда осуществимо.

Для получения автономности управления потокосцеплением и моментом необходимо учитывать наличие нелинейных перекрёстных влияний переменных состояния. В простейшем случае развязка переменных состояния может быть осуществлена путём компенсации.

При использовании систем координат, связанных с и , канал управления модулем потокосцепления при управлении со стороны статора необходимо строить по одноконтурной схеме и по двухконтурной схеме управления подчинённого регулирования в случае использования системы координат, связанной с (пример такой системы – система «Трансвектор»). В случае управления со стороны ротора (системы управления машинами двойного питания) при использовании системы координат или управление модулем или можно осуществить по одно контурной схеме, а при использовании системы координат - по двухконтурной схеме. Канал управления моментом при стабилизации модуля потокосцепления строится одно контурным как канал управления составляющей тока .

При использовании любых других систем координат системы управления оказываются либо более сложными, либо неспособными осуществлять управление переходными процессами. Действительно, техническая реализация систем векторного управления требует получения сигналов обратных связей, пропорциональных состовляющих векторов , и , .

В системе, построенной по принципу стабилизации , возможно прямое измерение , при помощи измерения индукции в зазоре машины по осям и . В системах со стабилизацией или составляющие , или , могут быть получены только при помощи дополнительных вычислителей, так как прямое измерение составляющих потокосцеплений невозможно.

Электропривод с регулированием в осях ротора применяют при высоких требованиях к качеству регулирования скорости и (или) перегрузочной способности.

Функциональная схема электропривода показана на рисунке 15.40. В таком электроприводе регулирование переменных осуществляется в синхронно вращающейся системе координат, образованной осями d, q ротора. Система ре­гулирования имеет подчиненную структуру и содержит три внутренних контура регулиро­вания в соответствии с тремя апериодическими звеньями в структурной схеме СД – контуры регулирования поперечного i_s,q и продольного i_s,d токов статора и контур регулирования потокосцепления возбуждения с регуляторами AAq, AAq, AV соответст­венно. Эти контуры подчинены внешнему кон­туру регулирования частоты вращения с регу­лятором AR.

Выходные сигналы регуляторов AAd, AAq представляют собой проекции обобщен­ного вектора управляющего напряжения на оси координат d, q; в установившемся режи­ме привода это – постоянные напряжения. Между тем для управления НПЧ необходи­мы проекции вектора на оси статора. Пе­реход к этим проекциям осуществляется пре­образователем поворота UQ1 и преобразова­телем фаз UPH1. Преобразователь поворота осуществляет переход к напряжениям , в системе координат , , связанной со ста­тором. Преобра­зователь фаз UPH1 осуществляет переход от проекций вектора , двухфазной системы к проекциям, , , трехфазной систе­мы.

Сигналы обратных связей по токам , по­ступают на входы регуляторов AAd, AAq с вы­ходов датчиков токов UA1 – UA3 фаз статора через преобразователь фаз UPH2 и преобразо­ватель поворота UQ2. Преобразователь UPH2 осуществляет переход от трехфазной к двух­фазной системе координат, а преобразователь UQ2 – от сис­темы координат , к системе координат d, q.

Рисунок 15.40 – Функциональная схема синхронного электропривода с регулированием в осях ротора

Для управления преобразователями пово­рота используется датчик углового положения ротора BQ, формирующий сигналы , .

Регулятор потокосцепления возбуждения АV управляет нереверсивным тиристорным возбудителем ME. В качестве сигналов обратной связи на вход этого регулятора поданы сигна­лы с выхода преобразователя UQ2 и сиг­нал с выхода датчика тока возбуждения UAE.

Задание на входы регуляторов AAq, AAd, AV внутренних контуров регулирования посту­пает с выхода регулятора AR через нелинейные элементы ACV2-ACV4.

Для поддержания потока в воздушном за­зоре СД на неизменном заданном уровне и для поддержания перпендикулярно­сти обобщенных векторов тока статора и по­тока в зазоре характеристики нелинейных элементов ACV2-ACV4 должны быть соответственно выбраны по следующим соотноше­ниям:

;; ,

где , , – сигнал на выходах эле­ментов ACV2, ACV3, АСV4 соответственно; – заданное значение момента двигателя – сигнал на выходе регулятора частоты вращения AR.

В результате задание потокосцепления оп­ределяется соотношением . Масштабный коэффициент на входе регу­лятора АV по такой же, как на входе об­ратной связи по , на входе по – как на входе обратной связи по .

Обратная связь по частоте вращения на вход AR подается с выхода тахогенератора BR, Заданное значение частоты вращения форми­руется задатчиком интенсивности АСН. Нели­нейный элемент АСV1 ограничивает задание момента двигателя на допустимом уровне, ко­торый в данном электроприводе может дости­гать 5–7-кратного значения.

252