6.8. Автоматическое регулирование электроприводов переменного тока с частотным управлением

Диапазон и точность регулирования в замкну­тых системах частотного управления, в которых напряже­ние, приложенное к двигателю, регулируется в функции нагрузки, значительно выше, чем в разомкнутых системах, где диапазон регулирования достигает не более 3:1 (см. гл. 4).

Распространенной системой частотно-регулируемого асинхронного привода является система со статическим преобразователем частоты с автономным инвертором.

Многообразие автономных инверторов можно разделить на два класса: инверторы напряжения и инверторы тока.

В случае автономных инверторов напряжения (АИН) в качестве управляющих воздействий приняты частота и напряжение на статоре двигателя, а в случае автоном­ных инверторов тока (АИТ) может быть использован прин­цип частотно-токового управления, при котором основ­ными управляющими воздействиями являются потребляе­мый статором ток и частота этого тока.

Существенным достоинством АИН является независи­мость выходного напряжения от частоты и от момента нагрузки. Выходное напряжение определяется лишь на­пряжением питания инвертора. Это упрощает формирова­ние необходимого закона частотного регулирования, осо­бенно когда напряжение регулируется только в функции частоты.

Однако если рассматривать систему в целом, т. е. АИН — Д, то при глубоком диапазоне регулирования

угловой скорости привода и произвольно меняющемся моменте нагрузки напряжение на двигателе должно регу­лироваться в функции двух параметров — частоты и мо­мента. Такое регулирование может быть осуществлено в замкнутой системе управления. Практически реализация системы регулирования напряжения в функции момента нагрузки усложняется неоднозначностью закона регулиро­вания при изменении частоты и трудностью получения информации о моменте на валу двигателя.

Рис. 6.12, Структурная схема замкнутой системы автоматического ча­стотного регулирования с АИН с жесткой отрицательной обратной связью по угловой скорости в контуре стабилизации скорости.

Проанализируем основные особенности замкнутых си­стем частотного регулирования асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором, управляемых АИН.

В системах с жесткой отрицательной обратной связью по угловой скорости (рис. 6.12) одновременно создается воздействие на напряжение и частоту. Связь между регу­ляторами частоты РЧ и напряжения УВ происходит с по­мощью функционального преобразователя ФП, обеспечи­вающего требуемое соотношение между напряжением и частотой на статоре двигателя. На структурной схеме пунктиром показан внутренний контур стабилизации на­пряжения. Такая система обладает ограниченным диапа­зоном регулирования до 7:1 при М_с = const из-за умень­шения перегрузочной способности двигателя при низких частотах.

Стабилизация магнитного потока посредством жесткой отрицательной обратной связи по потоку двигателя Ф (рис. 6.13) путем регулирования напряжения на двигателе в функции частоты (с помощью ФП) и нагрузки обеспечи­вает механические характеристики двигателя с высокой перегрузочной способностью и жесткостью, соответствую­щей естественной характеристике.

Рис. 6.13. Структурная схема замкнутой системы автоматического ча­стотного регулирования с АИН с жесткой отрицательной обратной связью по потоку в контуре стабилизации потока,

Всоответствии с рис. 6.13 магнитный поток опре-

где (6.24)

Преобразуя (6.24) с учетом принятых ранее [см. (4.75)]обозначений, находим:

(6.25)

где

Подставляя (6.25) в формулу момента М_а =

получаем выражение механической ха-

рактеристики двигателя в замкнутой системе с обратной связью по потоку:

(6.26)

Из выражения магнитного потока получаемого из схемы замещения, и из (6.25) найдем, что напряжение на двигателе в этой системе регулируется согласно выражению

(6.27)

Напряжение, подводимое к двигателю, нужно менять так, чтобы поток для всех частот и нагрузок оставался неизменным и равным потоку при номинальном напряже­нии и частоте и идеальном холостом ходе (Ф = Ф₀).

Начиная с некоторого большого коэффициента усиле­ния (k ≥ 100) максимальный момент двигателя в рассма­триваемой системе при любой частоте остается практически постоянным и стремится к значению

(6.28)

а критическое абсолютное скольжение

β_ка→R₂^’/x₂^’ . (6.29)

Из (6.28) и (6.29) видно, что предельные значения М_кa и β_ка не зависят от частоты и возрастают примерно в 2 раза по сравнению с максимальным моментом и критическим абсолютным скольжением на естественной характеристике.

Анализ замкнутой системы с обратной связью по потоку показывает незначительное уменьшение токов по сравне нию с разомкнутой системой (при одинаковых моментах нагрузки), но при, этом уменьшается коэффициент мощ­ности ( примерно на 3-5 % по сравнению с номинальным при а = 1 и μ = 1 ).

Максимальный диапазон регулирования при М = М_ном = = const можно определить (при регулировании вниз от номинальной угловой скорости) по формуле

(6.30)

где β_к,ном — критическое абсолютное скольжение в есте­ственной схеме включения двигателя.

Принимая в среднем β_{к, ном} = 0,10 ÷ 0,2 , получаем D_amax = (20 ÷ 10) : 1, поэтому если есть необходимость в дальнейшем расширении диапазона регулирования, то

необходимо рассмотренную систему дополнить отрицатель­ной обратной связью по скорости с воздействием на ча­стоту и задающее напряжение контура стабилизации потока, как это показано пунктиром на рис. 6.13. Возможно также использование обратной связи по скорости и в кон­туре стабилизации потока.

В приводах, работающих с частыми переходными про­цессами, и в случаях, когда требуется генераторное тор­можение асинхронного двигателя с рекуперацией энергии в сеть, целесообразно использование преобразователя ча­стоты с АИТ. В этих случаях сказываются преимущества АИТ, заключающиеся в возможности рекуперации энер­гии в сеть при более простой силовой схеме. При исполь­зовании АИН рекуперативное торможение асинхронного двигателя возможно при дополнительном параллельном подключении к управляемому выпрямителю инвертора, ведомого сетью, так как при переводе двигателя в генера­торный режим в звене постоянного тока меняется направ­ление тока при неизменной полярности напряжения.

В системе с АИТ и работе двигателя в генераторном режиме направление постоянного тока не меняется, а из­меняется полярность напряжения в звене постоянного тока. Следовательно, для рекуперации энергии в сеть управляемый выпрямитель переводится в инверторный режим.

По сравнению с АИН схема с АИТ отличается отсут­ствием моста обратного (реактивного) тока, инвертора, ведомого сетью, и конденсатора фильтра в звене постоян­ного тока.

Используя схему замещения, приведенную на рис. 4.58,находим связь между током I₂^’ и I₁:

(6.31)

При этом электромагнитный момент двигателя :

(6.32)

его магнитный поток :

(6.33)

Анализ (6.32) и (6.33) показывает, что при неизменном

токе статора механические характеристики двигателя об-

ладают постоянной перегрузочной способностью при всех частотах как в двигательном, так и в генераторном режи­мах, а момент его и магнитный поток однозначно связаны с абсолютным скольжением и не зависят от частоты.

Однако при управлении с неизменным током статора машина приобретает неблагоприятные свойства, заклю­чающиеся в том, что с увеличением нагрузки (скольжения) резко падает магнитный поток. Поэтому система должна быть замкнута таким образом, чтобы с увеличением на­грузки по определенному закону увеличивался и ток ста­тора так, чтобы поток машины поддерживался постоянным.

Упрощенная схема системы частотно-токового управ­ления асинхронным двигателем с АИТ представлена на рис. 6.14. В ней задающий сигнал U_з.с определяет частоту переключения тиристоров АИТ, а следовательно, частоту тока статора, если не вошло в зону ограничения устройство ограничения УО. После вычитания из напряжения U_з.с напряжения, пропорционального угловой скорости дви­гателя U_ω, образуется сигнал абсолютного скольжения U_β, который является управляющим (после прохождения че­рез ФП) для контура регулирования тока. В этот контур входят управляемый выпрямитель УВ с системой управ­ления СУВ, усилитель разностного сигнала У, сильная обратная отрицательная связь по току U_i, стабилизирую­щая ток на уровне, определяемом сигналом задания, и сигнал задания тока U_Iз, получаемый на выходе функ­ционального преобразователя ФП. В данной схеме U_Iз = = k | β |. Следовательно, при всех частотах ток двига­теля пропорционален скольжению.

Подставляя в (6.32) и (6.33) зависимость тока статора от скольжения (принимая ее линейной) I₁ = k_ββ, получаем выражения для момента:

(6.34)

имагнитного потока:

(6.35)

где k_β — коэффициент пропорциональности между током и абсолютным скольжением.

При малых β поток почти пропорционален абсолют­ному скольжению. В области рабочих скольжений момент пропорционален β, а нарастание потока уменьшается.

При резких изменениях заданного сигнала в системе по рис. 6.14 или при перегрузках двигателя срабатывает ОУ (ограничивая на заданном уровне и задание тока). Система переходит в режим ограничения момента. Сигнал задания частоты в этом режиме определяется текущим

Рис. 6.14. Упрощенная схема системы частотно-токового управления асинхронным двигателем с АИТ.

значением угловой скорости и заданным ограничителем ОУ абсолютным скольжением. Двигатель работает при любой угловой скорости в этом режиме с постоянными значениями тока и абсолютного скольжения, что и определяет, как это следует из (6.32), постоянство момента, т. е. характе­ристика двигателя становится абсолютно мягкой.

На рис. 6.15 приведены примерные механические ха­рактеристики асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором мощностью 45 кВт, управляемого АИТ в сис­теме по рис. 6.14. Характеристики в двигательном и гене-

Рис. 6.15. Механи­ческие характери­стики асинхронного двигателя с корот­козамкнутым ро­тором мощностью 45 кВт, управляе­мого от АИТ по рис. 6.14.

раторном (рекуперативное торможение) режимах обла­дают жесткостью не ниже, чем естественная характерис­тика двигателя.

Система с АИТ позволяет регулировать угловую ско­рость в диапазоне примерно до (20—30) : 1.