СКЕ / 3_Асинхронные двигатели. Регулирование скорости

Таким образом, для того, чтобы наиболее эффективно реализовать принципы частотного управления асинхронным двигателем, необходимо в соответствии с видом нагрузки на валу двигателя управлять напряжением,

подводимым к статору, взаимосвязано с изменением частоты тока статора. Перечисленные законы управления (5.90), (5.92), (5.94) достаточны для большинства механизмов. Однако эти законы справедливы только в первом приближении, когда активным сопротивлением статора R1 можно пренебречь

(рис. 5.43, а).

В действительности, при малых значениях частоты максимальный момент существенно снижается при уменьшении частоты из-за возрастающего влияния падения напряжения в активном сопротивлении статора I1R1, что приводит к уменьшению ЭДС E1 и магнитного потока двигателя Фm .

законе управления U1i = const , предполагающем постоянство критического

f1i

момента, наблюдается его снижение при уменьшении частоты f1i .

119

Рисунок 5.44 - Механические характеристики электроприводов ПЧ-АД и производственных механизмов

При частотном регулировании скорости асинхронного двигателя необходимо учитывать, что реактивные сопротивления двигателя зависят от частоты питающего напряжения. При снижении частоты f1i активное сопротивление R1 становится соизмеримым с реактивными сопротивлениями машины. Поэтому при расчете электромеханических и механических характеристик асинхронного двигателя нельзя пренебрегать активным сопротивлением статора R1.

Выпускаемые преобразователи частоты зачастую предусматривают возможность изменения соотношения между напряжением и частотой, с целью обеспечения указанных трех законов управления.

Функциональная схема электропривода, выполненного по системе преобразователь частоты – асинхронный двигатель, реализующая различные

законы управления вида U1i , изображена на рис. 5.45.

f1i

120

M

~ U1

В Фильтр АИН

ФП

U у

ЗИ

Рисунок 5.45 - Функциональная схема скалярного частотного управления скоростью асинхронного двигателя

Выпрямитель В предназначен для выпрямления питающего напряжения.

Входной фильтр служит для уменьшения пульсаций постоянного тока. Сигнал управления U у определяет модуль напряжения статора. Функциональный

преобразователь ФП обеспечивает изменение относительной частоты f1i в

f1н

функции от напряжения управления U у по одному из рассмотренных законов

регулирования U1i . Законы регулирования определяются формулами (5.90),

f1i

(5.92), (5.94).

Задатчик интенсивности ЗИ формирует линейно нарастающий сигнал для обеспечения заданного темпа разгона двигателя. Существенно, что в этом случае (медленное изменение напряжения питания) отсутствуют резкие пики момента двигателя, которые наблюдаются при прямом пуске двигателя.

Недостатками рассмотренного типа привода являются: низкое качество регулирования скорости как при управляющем, так и при возмущающем воздействии; отсутствие режима работы на упор, т.е. при чрезмерных моментах нагрузки привод отключается под действием токовой защиты; сложность реализации управления потокосцеплением в функции момента двигателя.

Для реализации более сложных законов управления используются замкнутые системы регулирования с различными обратными связями.

121

5.9.3.Скалярное управление

5.9.3.1.Частотное управление со скалярной IR -компенсацией

Как было показано, в классе законов U1i = const невозможно получить

f1i

удовлетворительные механические характеристики в широком диапазоне изменения скоростей и нагрузок. Основная причина - возрастание влияния активного сопротивления обмотки статора при снижении частоты питающего напряжения.

В электроприводах по системе АИН-АД со скалярным управлением существуют и другие законы регулирования. Рассмотрим Т-образную схему замещения, показную на рис. 5.46.

X m

Рисунок 5.46 – Т-образная схема замещения АД в установившемся режиме при частотном управлении

В соответствии со схемой замещения (рис. 5.46) можно записать уравнения равновесия напряжений:

регулирования скорости:

122

значительное повышение питающего напряжения, что приводит к насыщению магнитной цепи и перегреву асинхронного двигателя.

На практике наибольшее распространение получили следующие способы

регулировании скорости в этом классе законов необходимо повышать фазное напряжение только на величину падения напряжения на активном сопротивлении обмотки статора. Такой способ регулирования получил название - частотное управление со скалярной IR -компенсацией.

Структурная схема системы управления со скалярной приведена на рис. 5.48.

IR -компенсацией

Задатчик интенсивности ЗИ формирует кривую разгона двигателя.

Сигналу задания U з соответствует задание на частоту fз. Функциональный преобразователь ФП формирует требуемую зависимость между частотой и

напряжением преобразователя, устанавливая один из законов управления E1 .

f1

При скалярной IR -компенсации сигнал управления U y является суммой

сигнала регулирования U p и сигнала положительной обратной связи по току

Uir :

124

где Kir - коэффициент положительной обратной связи по току; R1 - активное

сопротивление обмоток статора; I1 - сигнал, пропорциональный действующим

значениям токов iA , iB , iC обмоток статора двигателя.

Сигнал управления U y является входным для прямого координатного

выходе автономного инвертора напряжения АИН .

Для пояснения принципа действия АИН-АД с положительной обратной связью по току рассмотрим механические характеристики асинхронного двигателя, изображенные на рис. 5.49.

Рисунок 5.49 – Механические характеристики электропривода АИН-АД при наличии положительной обратной связи по току

Предположим, что асинхронный двигатель работал на характеристике 1 (рис. 5.49) с моментом на валу, равным Mc1. При увеличения момента на валу до значения Mc2 , возрастут токи фаз iA , iB , iC и, следовательно, сигнал I

функционального преобразователя тока статора ФПТ . Увеличится и напряжение положительной обратной связи, вычисляемое по току I с

помощью апериодического звена:

125

где Tir - постоянная времени задержки контура тока, с.

С ростом корректирующего сигнала Uir возрастет и сигнал управления

Uy , что приведет к росту напряжения на зажимах статора и, в конечном счете,

кувеличению критического момента M к ≡ U12 . Характеристика 2 (рис. 5.49)

соответствует возросшему фазному напряжению. В результате действия положительной обратной связи формируется механическая характеристика замкнутой системы 3 (рис. 5.49), жесткость которой определяется коэффициентом Kir .

Для получения токового сигнала, как правило, используются шунты, включенные в цепь переменного тока инвертора напряжения (рис. 5.48).

При скалярной IR -компенсации меняется только модуль напряжения обмотки статора асинхронного двигателя без изменения фазового угла. Это

. .

приводит к непостоянству векторов ЭДС Е1 и потокосцепления Ψ1. Как следствие в системе регулирования могут возникнуть возмущения, связанные с

изменением фазового угла Несмотря на этот недостаток, разомкнутые структуры частотного

регулирования скорости на основе АИН со скалярной IR -компенсацией находят широкое применение в приводах длительного режима работы с диапазоном регулирования

5.9.3.2. Система преобразователь частоты – асинхронный двигатель с отрицательной обратной связью по скорости

Функциональная схема системы АИН-АД с отрицательной обратной связью по скорости приведена на рис. 5.50

126

Рисунок 5.50 - Система АИН-АД с отрицательной обратной связью по скорости

В системе регулирования (рис. 5.50) питание асинхронного двигателя осуществляется от инвертора напряжения АИН . Управляющим воздействием является частота fз. Задание на напряжение формируется функциональным преобразователем ФП . Его передаточная функция зависит от выбранного закона регулирования напряжения в функции частоты.

Характер изменения скорости определяется параметрами задатчика интенсивности ЗИ .

Система регулирования (рис. 5.50) относится к классу систем с полузамкнутым управлением. Сигнал задания частоты складывается из двух сигналов: собственно сигнала задания частоты fз и корректирующего сигнала , являющегося выходом регулятора скорости.

В быстро протекающих процессах действует сигнал управления заданной частоты fз, что соответствует разомкнутому управлению. В медленных процессах действует обратная связь по угловой скорости, что соответствует замкнутому управлению.

Сигнал корректирующей частоты определяется по выражению:

На рис. 5.51 приведены механические характеристики, поясняющие работу электропривода.

127

Рисунок 5.51 – Механические характеристики электропривода АИН-АД при наличии отрицательной обратной связи по скорости

Предположим, что двигатель работал на характеристике 1 (рис. 5.51) с

сигналом задания частоты инвертора fзчи1 и моментом нагрузки Мс1, что соответствует скорости электропривода ω1. Допустим, что нагрузка на валу двигателя возросла и стала равной Мс2 .

Так как момент двигателя М стал меньше момента нагрузки Мс2 ,

скорость вращения двигателя начнет падать. Это приведет к тому, что сигнал отрицательной обратной связи по скорости fос начнет уменьшаться.

Корректирующий сигнал fкор будет увеличиваться и, следовательно,

возрастет сигнал задания частоты инвертора fзчи = fз + fкор. Асинхронный двигатель переходит на механическую характеристику 2 (рис. 5.51),

соответствующую новому сигналу задания частоты инвертора fзчи2. Новая точка установившейся работы электропривода соответствует скорости ω2.

Результирующая характеристика замкнутой системы 3 (рис. 5.51) получается более жесткой, чем в случае скалярной IR -компенсации.

Произведем математический анализ и синтез регулятора скорости, упростив для этого структурную схему асинхронного двигателя.

128