suep_metod_sem2 / suep_metod_sem2 / 5.13 - СУЭП на основе АД с ф.р
..pdfСУЭП НА ОСНОВЕ АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ С ФАЗНЫМ РОТОРОМ
Управление АД с фазным ротором, кроме регулирования частоты напряжения статора, может осуществляться путём введения в цепь ротора:
1.Добавочного сопротивления.
2.Добавочной ЭДС.
Первый способ, описанный, в частности, в [Башарин], относится к параметрическим, неэкономичен, и поэтому применяется для приводов малых мощностей или для управления непродолжительными пусковыми режимами.
При втором способе преимуществом является полезное использование мощности скольжения, передаваемой в цепь ротора. При этом основной трудностью является согласование вводимой в ротор добавочной ЭДС с собственной ЭДС ротора, которая, как известно, имеет амплитуду и частоту скольжения. Поэтому при втором способе управления возможны 2 варианта:
1) введение в роторную цепь ЭДС постоянного тока (асинхронно-вентильный каскад);
2) введение в ротор добавочной ЭДС Ed переменного тока, согласованной с ЭДС ротора ЕR по частоте, амплитуде и фазе (машина двойного питания).
В обоих случаях важным преимуществом является возможность управления мощными высоковольтными АД (номинальное напряжение статора – 3 кВ, 6 кВ, 10 кВ), имеющими низковольтную обмотку ротора (220 В, 380 В, 660 В).
Асинхронно-вентильный каскад
Принцип управления
Силовая схема АВК показана на рис.4.71.
Каскад состоит из двигателя М, выпрямителя НВ, ведомого сетью инвертора УИ и сглаживающего дросселя L. Кроме того, для пуска может применяться реостатный резистор Rp. Выпрямитель НВ предназначен для выпрямления тока ротора, имеющего частоту скольжения fR=fS∙s. Таким образом, энергия скольжения, индуцируемая в обмотках ротора, преобразуется в энергию постоянного тока и отдается в питающую сеть посредством инвертора УИ и согласующего трансформатора Тр. Это обусловливает высокий к.п.д. АВК.
В цепь выпрямленного тока ротора вводится добавочная ЭДС постоянного тока, определяемая средним выходным напряжением инвертора Ud.и. Она ре-
гулируется углом опережения 180 вентилей инвертора, который обычно изменяют в пределах 15…90°. Величина выпрямленного тока ротора определяется разностью выпрямленной ЭДС ротора Ed. p и ЭДС инвертора Ed.u :
Id |
Ed.p Ed.u , |
(1) |
|
Rекв |
|
где Rекв 2rmp 2rдв rдр 3xдвs 3xmp
Рис.4.71. Силовая схема АВК.
Выпрямленная ЭДС ротора:
– эквивалентное сопротивление цепи
выпрямленного тока;
s 1 0 – скольжение АД; rдв , xдв – активное и индук-
тивное сопротивления короткого замыкания АД, приведенные к обмотке ротора;
rmp , xmp – активное и индук-
тивное сопротивления фазы трансформатора, приведенные к его вторичной обмотке;
rдр – активное сопротивление
дросселя в звене постоянного тока;
3x |
дв |
I |
d |
s |
, |
3xmp Id |
– падения |
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
напряжения от перекрытия анодов НВ и УИ, обусловленные наличием коммутации.
Ed.p kcx.вERф.H s 2 Uв, |
(2) |
а противо-ЭДС инвертора – |
|
Ed.u kcx.u E2ф.тр cos 2 Uu . |
(3) |
В этих выражениях:
ERф.H – номинальная фазная ЭДС ротора (при скольжении s 1); E2ф.тр – фазная ЭДС вторичной обмотки трансформатора инвертора;Uв, Uu – падения напряжения на вентилях НВ и УИ;
kcx.в , kcx.u – коэффициенты схем НВ и УИ (обычно используются трехфазные мостовые схемы, тогда kcx.в kcx.и 2,34 ).
Подставив (2) и (3) в (1), и пренебрегая падением напряжения в вентилях, для выпрямленного тока можно получить выражение:
|
|
|
Id |
|
2,34ERф.H s s0 , |
(4) |
|
|
|
|
|
Rекв |
|
где |
s0 |
|
E2ф.тр cos |
– фиктивное скольжение идеального холостого хода (при |
||
|
|
|
ERф.H |
|
|
|
Id 0 ) для конкретного .
Мощность скольжения АД, передаваемая из цепи ротора в цепь постоянного тока:
|
3x |
дв |
I |
d |
s |
(5) |
Ps Ed. p |
|
|
Id . |
|||
|
|
|
|
|
|
|
Момент двигателя может быть определен по формуле:
M |
P |
|
Ed. p 3xдвId s |
Id , |
(6) |
s |
s 0 |
||||
|
s 0 |
|
|
подставив в которую (2) и (4), получим:
|
2,34ERф.H 2 |
Rекв |
3xдв |
2 |
|
|
||||
|
R |
|
|
|
|
s s0 |
|
s s0 |
, |
(7) |
M |
|
0 |
0 |
|||||||
|
екв |
|
|
|
|
|
|
|
что есть приближенным аналитическим выражением для механической характеристики АВК (рис.4.72).
Механические характеристики имеют высокую жесткость (почти как у естественной характеристики ЕХ), и перемещаются параллельно друг другу при увеличении противо-ЭДС инвертора (за счет уменьшения угла ). Из-за несинусоидальности тока ротора перегрузочная способность двигателя в схеме АВК снижается (примерно на 20%).
При угле регулирования = max = 90° противо-ЭДС инвертора Ed.u = 0, и достигаемая скорость двигателя наибольшая. Если при наличии статического момента МС уменьшить угол управления (например, установить = 1), то про- тиво-ЭДС инвертора станет больше, чем выпрямленная ЭДС ротора Ed. p . То-
гда ток ротора уменьшится до нуля. Одновременно уменьшатся до нуля мощность скольжения (5) и момент двигателя (6). Скорость АД будет уменьшаться
|
s |
|
|
|
под действием статического |
||||
|
|
|
момента, при этом будет |
||||||
|
0 |
|
|
|
|||||
0 |
|
|
|
расти |
скольжение и |
ЭДС |
|||
|
s01 |
|
ЕХ |
|
ротора. |
Когда скольжение |
|||
|
|
max=90° |
превысит (для нашего при- |
||||||
|
|
|
мера) величину s01, в цепи |
||||||
|
s02 |
|
1< max |
|
ротора возникнет ток, и |
||||
|
|
|
|
двигатель перейдет |
на ра- |
||||
|
s03 |
|
2< 1 |
|
боту по механической ха- |
||||
|
|
|
|
рактеристике, |
соответст- |
||||
|
|
|
|
|
вующей s01. Для дальней- |
||||
|
|
|
3< 2 |
|
шего |
снижения |
скорости |
||
|
|
|
|
следует |
еще |
уменьшить |
|||
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
M |
угол , т.е. увеличить про- |
||||
|
|
|
|
тиво-ЭДС инвертора. |
|
||||
|
MC |
M |
max |
Mk |
|
Для увеличения ско- |
|||
|
|
|
|
|
|||||
Рис.4.72. Механические характеристики АВК. |
рости |
|
нужно |
уменьшить |
|||||
|
|
|
|
|
Ed.u , |
при этом ток ротора |
возрастет, момент увеличится, и двигатель разгонится. По мере разгона будут уменьшаться Ed. p , следовательно, ток и момент двигателя, пока не будет дос-
тигнута точка статического равновесия М = МС.
Диапазон возможного регулирования скорости ограничен величиной максимально возможного скольжения
s0 min E2ф.тр cos min ,
ERф.H
которая, в свою очередь, определяется номинальным вторичным напряжением обмотки трансформатора Тр. Поэтому АВК применяют для привода механизмов с вентиляторным характером нагрузки, для которых, как правило, не требуется диапазон регулирования больше (2…3) : 1. В этом случае техникоэкономические показатели привода будут наилучшими. Разгон до скорости, соответствующей нижней границе диапазона регулирования, обычно выполняют с помощью пускового реостата (см. рис.4.71).
АВК как объект регулирования
Параметрами, определяющими динамику АВК как объекта регулирования, являются параметры звена постоянного тока.
Уравнение (1) для выпрямленного тока в динамике имеет вид:
|
|
|
E |
|
|
E |
|
R |
I |
|
L |
dId |
, |
(8) |
||||||
|
|
|
|
|
d.p |
|
|
|
d.u |
|
екв |
|
|
d |
|
екв |
|
dt |
|
|
где L |
L |
L |
|
L |
|
2 |
x |
дв 2 |
xmp |
L |
|
– |
эквивалентная |
индуктивность |
||||||
|
|
|
S |
|
||||||||||||||||
екв |
дв |
mp |
|
|
дp |
|
|
S |
|
дp |
|
|
|
цепи постоянного тока.
Выражение для момента АД (6) можно линеаризовать, если задаться настроечным значением выпрямленного тока Ido , соответствующего средней нагрузке. Тогда
M |
2,34ERф.H 3xдвIdo |
|
Id cдвId . |
(9) |
0 |
|
|||
|
|
|
|
Представляя УИ апериодическим звеном по аналогии с тем, как это выполнялось в СУЭП постоянного тока, дополняя (2), (8), (9) уравнением движения привода, можно построить структурную схему АВК как объекта регулирования (рис.4.73). На схеме обозначено:
Ed 0. р 2,34ERф.H – максимальная ЭДС на выходе выпрямителя;
Tекв LеквRекв – электромагнитная постоянная времени цепи выпрямлен-
ного тока;
k , T – коэффициент усиления и эквивалентная малая постоянная времени
инвертора.
Представленная структурная схема является достаточно точной при рассмотрении работы АВК на линейной части механических характеристик. Вместе с тем следует отметить следующие особенности объекта:
Ed 0. p
k |
1 R |
|
|
1 |
|
||||
T p 1 |
екв |
|
сдв |
|
Teкв p 1 |
|
Jp |
||
|
|
Ed 0. p
0
Рис.4.73. Структурная схема АВК как объекта регулирования.
1. Сопротивление Rекв , следовательно, и постоянная времени Tекв в дей-
ствительности являются переменными величинами, поэтому при определенном сочетании параметров АД (xдв rдв rmp rдp) реальные процессы могут зна-
чительно отличаться от расчетных.
2.В рассмотренной структуре АВК с НВ (рис.4.71) направление потока энергии однозначно, и приводной двигатель не может быть переведён в генераторный режим. Следовательно, если изменение скорости привода в сторону её увеличения можно контролировать путём воздействия на систему управления инвертором, то при необходимости уменьшения скорости вращения после снижения выпрямительного тока до нуля привод становится неуправляемым, и характер переходного процесса определяется только моментом инерции и моментом сопротивления. Возможность возникновения неуправляемого режима при |Edp|<|Edи| не учтена в структурной схеме рис.4.73.
3.На работе АВК сказывается также наличие в схеме замкнутого контура, образованного вентилями выпрямителя и инвертора. Это проявляется, если во
время переходного процесса угол регулирования превысит значение 90° ,что может произойти из-за большого коэффициента усиления замкнутой системы, тогда инвертор перейдёт в выпрямительный режим. При этом в контуре, минующем цепь ротора АД, возникнет ток значительной величины – аварийный режим.
4. Из-за наличия в намагничивающей силе ротора пространственных гармоник третьего порядка в статорной цепи АД возникают колебания реактивной мощности, которые в наибольшей степени проявляются при скоростях, близких к 2/3ω0.
Замкнутая система по схеме АВК и ее настройка
Структурная схема АВК (рис.4.73) подобна структурной схеме ДПТ при управлении по цепи якоря, поэтому замкнутая система регулирования скорости строится в виде двухконтурной СПР с внутренним контуром регулирования выпрямленного тока. Функциональная схема СУЭП по схеме АВК представлена на рис.4.74, а ее структурная схема – на рис.4.75.
Передаточная функция РТ выбирается равной:
WPT p |
Rекв |
Tекв p 1 |
, |
|
k kд.т |
TT p |
|
где используют настроечные значения Rекв и Tекв , и принимают TT 2T . При этом следует иметь в виду, что процессы в системы могут сущест-
венно отличаться от желаемых, если Tекв близка по значению с T [Башарин]. В таких случаях используют автоматическую подстройку параметров РТ.
Рис.4.74. Функциональная схема замкнутой системы регулирования скорости по схеме АВК.
|
|
|
Ed 0. p |
|
|
|
|
|
k |
1 R |
|
|
1 |
WPC p |
WPT p |
|
|
|||
|
|
|||||
T p 1 |
екв |
сдв |
|
|
||
Teкв p 1 |
|
Jp |
||||
|
|
Ed 0. p |
||||
|
|
|||||
|
|
|
|
|
||
|
|
kд.m |
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
kд.c
Рис.4.75. Структурная схема замкнутой системы регулирования скорости по схеме АВК.
Регулятор скорости может быть П- или ПИ-типа. Коэффициент усиления П-РС можно принять в виде:
WPT p |
kд.тJ |
, |
|
kд.ccдвTC |
где TC 2TT .
Электропривод по схеме машины двойного питания
Принцип управления
Машина двойного питания (МДП) − это АД с фазным ротором, статор которого питается от стандартной сети частотой f1=50 Гц, а ротор подключён к низковольтной цепи посредством непосредственного преобразователя частоты (НПЧ), который позволяет обеспечить двухсторонний обмен энергией между цепью ротора и сетью (рис.4.76). Управление НПЧ при этом позволяет вводить в цепь ротора добавочную ЭДС, находящуюся в некотором соответствии с ЭДС ротора.
В частности, если в роторную цепь АД введена добавочная ЭДС Едоб, находящаяся в противофазе с ЭДС ротора
ЕR, и равная ей по амплитуде:
Eдоб ER.H s ER.H 1 0 ,
то можно записать:
|
|
|
|
E |
|
, |
0 |
1 |
|
доб |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ER.H |
|
где ЕR.Н – ЭДС ротора при неподвижном роторе.
Тогда из последнего выражения следует, что, регулируя ЭДС Едоб от 0 до ЕR.Н, можно регулировать скорость от синхронной вниз до нуля. Если же добавочная ЭДС Едоб будет совпадать по фазе с ЭДС ротора ЕR, то скорость будет изменяться вверх от синхронной (т.е. во второй зоне). Вид механических характеристик МДП показан на рис.4.77.
0
M
Рис.4.77. Механические характеристики МДП.
U ya
U yb
U yc
Рис.4.76. Силовая схема МДП.
Так |
как вводимая в ротор ЭДС должна иметь частоту скольжения |
fR fS s , |
то диапазон регулирования скорости МДП ограничивается только |
возможностями НПЧ. При нулевой схеме тиристорного НПЧ границы диапазона регулирования скорости составят 0 0,25 0 , при мостовой схеме –
0 0,5 0 , если же НПЧ выполнен по мостовой схеме на базе полностью
управляемых ключей, диапазон регулирования частоты теоретически не ограничен. При необходимости пуск двигателя до минимальной рабочей скорости выполняется так же, как и в схеме АВК.
Основным преимуществом МДП является то, что установленная мощность АД будет пропорциональной максимальному изменению скольжения за счет управляющего воздействия. Поэтому ее целесообразно применять для механизмов с ограниченным диапазоном регулирования скорости.
Машина двойного питания как объект регулирования
Векторные уравнения Парка – Горева равновесия напряжений цепей статора и ротора АД после исключения из них векторов тока статора IS и потокосцепления ротора R могут быть записаны в виде:
|
US S S Lm IR p S j C S ; |
(1) |
UR RR IR kS p S LR pIR j C R kS S j C R LR IR , |
(2) |
|
где S RS |
LS – коэффициент затухания статора; |
|
kS Lm |
LS = 0,95…0,98 – коэффициент электромагнитной связи статора. |
|
Электромагнитный момент |
|
|
|
|
|
|
M 3 z pkS Im S IR* . |
(3) |
|
2 |
|
Теперь в уравнениях (1) – (3) все параметры должны быть приведены к цепи ротора. |
||
Поскольку напряжение статора АД не регулируется, будем считать, что |
||
|
S S const , S const , |
(4) |
одновременно положив RS 0 , что для двигателей, обычно используемых в ка-
честве МДП, является вполне допустимым.
Если с учетом этого разложить уравнения (1) – (3) на составляющие, записав их в синхронной системе координат x, y, ориентированной по вектору напряжения статора
uSx US US ; |
uSy 0 , |
(5) |
то в результате получим уравнения для цепей статора:
|
|
US ; |
|
Sx |
0 , |
(6) |
|
|
Sy |
S |
S |
|
|
|
а с учетом этого – уравнения для цепей ротора:
u |
Rx |
R |
i |
Rx |
L |
R |
pi |
Rx |
|
S |
|
R |
k |
|
S |
|
R |
L |
i |
; |
|
|||
|
|
R |
|
|
|
|
|
S S |
|
|
|
R |
Ry |
(7) |
||||||||||
u |
|
R |
i |
|
L |
|
pi |
|
|
|
|
|
L |
i |
|
, |
|
|
|
|
|
|
||
Ry |
Ry |
R |
Ry |
S |
R |
Rx |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
R |
|
|
|
|
|
|
R |
|
|
|
|
|
|
|
|
и выражение для момента:
M |
3 z |
|
k |
|
i |
|
, |
(8) |
|
2 |
p |
|
S |
S |
Rx |
|
|
где iRx – активная составляющая тока ротора (совпадающая по направлению с |
вектором US ). |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
Дополнив (6) – (8) уравнением движения, можно построить структурную |
||||||||||||||||
схему МДП (рис.4.78), |
где обозначено T R LR |
RR – постоянная времени |
||||||||||||||||
US |
|
|
S |
|
|
|
|
|
|
рассеяния ротора АД. |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
Особенностью МДП |
||||||||||
S |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
также |
является |
возмож- |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
R |
z |
ность регулирования реак- |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
тивной мощности QS , по- |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
p |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
требляемой |
со |
стороны |
||
|
|
kS |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
статора. В обычной схеме |
||||
uRx |
1 RR iRx |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
питания АД |
со |
стороны |
||||
|
|
|
3 |
zpkR |
|
|
1 |
статора |
двигатель |
всегда |
||||||||
|
|
|
||||||||||||||||
|
|
T R p 1 |
|
|
|
2 |
|
|
Jp |
|
потребляет |
реактивную |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
мощность, необходимую |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
LR |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
для создания |
магнитного |
|||
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
потока, |
поэтому |
ток ста- |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
тора содержит реактивную |
|||||
|
|
|
|
Lm |
|
|
|
3 |
QS |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
составляющую. |
В |
МДП |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
uRy |
1 R |
|
|
|
|
|
|
|
|
kS |
можно добиться того, что |
|||||||
R |
|
|
|
|
2 |
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
намагничивающий ток бу- |
||||||||
|
|
T R p 1 iRy |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
дет частично |
или |
полно- |
||||
|
|
Рис.4.78. Структурная схема МДП. |
||||||||||||||||
|
|
стью протекать |
по цепи |
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ротора. |
При |
этом |
статор |
может вообще не потреблять реактивную мощность, и даже отдавать её в сеть. Реактивная мощность, потребляемая статором:
QS |
|
3 ImUS IS* |
3 Im uSx juSy iSx jiSy , |
|
|||||||||||
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
которое с учетом (5), (6) можно переписать в виде: |
|
||||||||||||||
Q |
|
3U |
i |
|
3 |
|
i |
|
, |
(9) |
|||||
откуда ток |
|
S |
|
2 |
|
S |
Sy |
2 |
|
S |
S |
Sy |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
i |
Sy |
|
2QS . |
|
|
|
|
|
|
(10) |
|||||
|
|
3 |
S |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
S |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таким образом, между током iSy |
и реактивной мощностью QS , потреб- |
ляемой статором, имеет место взаимно однозначное соответствие.
С помощью уравнений Парка – Горева можно выразить ток ротора через ток и потокосцепление статора, тогда с учетом (10) получим:
1 |
1 |
1 |
|
2QS |
|
|
|||||
iRy L |
S k |
S |
iSy L |
S |
3 |
S |
k |
S |
|
, |
(11) |
m |
|
m |
|
|
|
S |
|
|
|||
откуда следует, что между током iRy и реактивной мощностью QS |
также име- |
ется взаимно однозначное соответствие. Соответствующие линии на структурной схеме рис.4.78 показаны прерывистыми.
Таким образом, например, если необходимо обеспечить, чтобы QS 0, нужно обеспечить iSy 0 , или iRy S Lm . Очевидно, что очень просто можно добиться также любой требуемой величины QS .
Рассматривая совместно выражения (8) и (11), можно прийти к выводу, что, если регулировать составляющие тока ротора (или статора), то составляющая iRy будет определять реактивную мощность, потребляемую статором, а со-
ставляющая iRx – момент двигателя. Таким образом, подход к построению сис-
темы регулирования во многом аналогичен тому, что использовался в системе векторного управления АД со стороны статора.
Функциональная схема системы регулирования скорости МДП и настройка системы
Функциональная схема простого варианта системы регулирования скорости МДП показана на рис.4.79.
sin St |
cos St |
|
|
sin Rt |
|||
|
|
|
|
|
cos Rt |
|
|
|
|
|
|
|
sin s St |
cos s St |
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|||||
|
iRx.З |
iRu.З |
|
iRa.З |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
iRb.З |
|
|
|
|
|
|
iRy.З |
i |
|
i |
|
|
|
|
|
|
|
Rv.З |
|
Rc.З |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис.4.79. Функциональная схема скалярной системы регулирования скорости по схеме МДП.
Выход регулятора скорости РС является сигналом задания момента и одновременно заданием на активную составляющую тока ротора iRx . Другая со-
ставляющая (iRy ) задается независимо, исходя из требуемой реактивной мощности статора QS.