4. 15. Частотное регулирование угловой

скорости синхронного электропривода

Регулируемый синхронный электропривод с частот- ным управлением в настоящее время находит применение в произ- водстве искусственного волокна, в прядильном производстве, на мор- ских судах и для некоторых специальных производств.

Использование полупроводниковых преобразователей частоты от- крывает большие возможности в отношении формирования требуемых статических и переходных процессов частотно-управляемых синхрон- ных электроприводов. Этот привод обладает рядом свойств, не при- сущих асинхронному электроприводу с частотным управлением в разомк- нутых системах, а именно:

1. стабильность угловой скорости независимо от момента на- грузки во всем диапазоне регулирования угловой скорости;

2. высокая точность синхронного движения управляемых машин с контролем по углу вращающихся осей;

3) большие значения моментов на ползучих скоростях при регу- лировании напряжения и тока возбуждения.

В регулируемом синхронном электроприводе должны быть уста- новлены закономерности, связанные с регулированием частоты пере- менного тока и внутреннего угла сдвига. Важное значение имеет уста- новление законов регулирования электрических параметров синхрон- ного двигателя при выявлении запаса статической устойчивости.

(4.111)

(4.110)

Это выражение удобно представить, пренебрегая насыщением, в виде

Электромагнитный момент синхронного двигателя с явновыражен- ными полюсами

где I_в — ток возбуждения синхронного двигателя; А и В — постоян- ные величины.

(4.112)

здесь с₁=А/f; с₂=В/f ²

Основные режимы управления синхронным двигателем: 1. Регулирование синхронного двигателя при f = const; U = var; I_в = var, является наиболее характерным для нерегулируемого син- хронного электропривода. Формула электромагнитного момента для этого случая:

Для характеристики электромеханических свойств здесь удобно рассматривать регулирование синхронного двигателя отдельно при I_в= var; U = const и I_в = const; U = var. Момеятно-угловые харак- теристики при этом соответственно представлены на рис. 4.72 и 4.73.

где с₁=АU/f; с₂=В(U/f)²

3. Режим частотного регулирования синхронного электропри- вода при U = const; I_в = const; f = var, Формула электромагнитного

момента:

(4.114)

здесь с₁=АUI_в; с₂=ВU²

(4.113)

2. Режим частотного регулирования синхронного электропри- вода при U/f = const; I_в = var. Для этого случая характеристики даны на рис. 4.74, а их аналитическая зависимость имеет вид:

Из (4. 114) видно, что при сниженных угловых скоростях (часто- тах напряжения статора) синхронный двигатель обладает значитель- ным максимальным моментом. Моментно-угловые характеристики для случая изменения только частоты приведены на рис. 4. 75. Увеличе- ние максимального момента при снижении угловой скорости (частоты статорного напряжения) синхронного двигателя, но при неизменном напряжении связано с большим увеличением тока статора, которое определяется уменьшением противо-ЭДС и реактивных сопротивлений машины.

Закон регулирования напряжения и тока возбуждения неявно- полюсного синхронного двигателя или приближенный закон регули-

м

Рис. 4. 72. Моментно-угловые ха- рактеристики синхронного дви- гателя при I_в = var; U = const.

1 — нормальное возбуждение; 2 — повышенное возбуждение; 3 — по- ниженное возбуждение; М₁, — мо- мент от поля возбуждения; М_г — момент от явнополюсности; М — суммарный момент.

Рис. 4. 73. Моментно-угловые ха- рактеристики синхронного дви- гателя при I_в= const; U = var.

1 - U = U_ном; 2 - U > U_ном;

3 — U < Uном; М₁ — момент от поля возбуждения; М₂ — момент от явнополюсности; М — суммар- ный момент.

М

М,

45

Рис. 4. 74. Моментно-угловые ха- рактеристики частотно-регули- руемого синхронного электро- привода при U /f = const; I_в = = var,

/ — нормальное возбуждение; 2 — повышенное возбуждение; 3 — по- ниженное возбуждение; М₁, — мо- мент от поля возбуждения; М₂ — момент от явнополюсности; М — суммарный моиент.

Рис. 4. 75. Моментно-угловые характеристики синхронного двигателя при U = const; I_B = = const; f = var,

M₁ — момент от поля возбужде- ния; M₂ — момент от явнополюс- ности; М — суммарный момент.

203

рования для крупных явнополюсных синхронных двигателей при изме- нении угловой скорости (частоты) и момента нагрузки и заданном запасе статической устойчивости найдем, воспользовавшись первой составляющей (4. 111) для электромагнитного момента.

(4.115)

При постоянстве угла нагрузки синхронного двигателя закон регулирования напряжения и тока возбуждения находим следующим образом:

При U/f= U_ном/f_ном = const получим зависимость регулирова- ния тока возбуждения синхронного двигателя от момента на валу:

(4.116)

Из (4. 116) следует, что при постоянном отношении U/f возбужде- ние синхронного двигателя должно изменяться прямо пропорциональ- но изменению момента на валу.

Для I_в = I_в._ном = const из (4. 115) следует, что U/f = U_ном/f_ном = = const и регулирование производится при постоянном моменте.

В случае постоянной мощности регулирование осуществляется изменением только частоты при неизменных возбуждении и напря- жении.

По аналогии с двухзонным регулированием двигателей постоян- ного тока независимого возбуждения можно осуществить двухзонное регулирование угловой скорости синхронных двигателей: при постоян- ном моменте используется регулирование в зоне до номинальной угло- вой скорости, а при постоянной мощности — в зоне регулирования выше номинальной угловой скорости.

Таким же образом, как и для неявнополюсной машины, определя- ется закон регулирования напряжения для синхронных двигателей с явновыраженными полюсами при существенном влиянии реактивной составляющей момента. Из (4. 110) при условии постоянства угла 6 и тока возбуждения (I_в = const), приняв в ограниченном диапазоне регулирования угловой скорости Е ≈ U, получим:

(4.117)

т. е. закон регулирования имеет тот же вид, что и для асинхронного двигателя при- частотном управлении. Следовательно, и частотные законы регулирования для различного вида нагрузок будут одина- ковы для обоих типов машин: U/f = const при М = М_НОМ = const; U√f= const при Р = Р_ном = const; U/f ² = const при вентилятор- ной нагрузке.

Из (4. 117), в частности, следует, что при некоторой фиксирован- ной частоте / и при изменении момента нагрузки напряжение нужно регулировать по закону

U/U_ном=√М/М_ном

угол нагрузки при этом останется неизменным в диапазоне изменения момента от холостого хода до номинального.

Для явнополюсного синхронного двигателя регулирование тока возбуждения, как это следует из (4. 111), приводит к изменению только одной составляющей момента, поэтому закон регулирования тока

возбуждения существенно усложняется, в частности при U/f = const и в = const

где в — постоянная величина.

(4.119)

Для реактивного синхронного двигателя этот предел наступает, когда угол θ становится равным 45° при максимальном моменте

(4.120)

Предел статической устойчивости синхронного двигателя с неяв- новыраженными полюсами наступает, когда угол 6 становится рав- ным 90° при максимальном моменте

Как видно из (4.119) и (4.120), при уменьшении частоты пере- менного тока максимальные значения электромагнитных моментов увеличиваются и, наоборот, с увеличением частоты уменьшаются.

Для синхронных двигателей с явновыраженными полюсами при изменении частоты переменного тока неучет реактивного электромаг- нитного момента (от явнополюсности) приводит к значительным по- грешностям в оценке механических свойств.

При низких частотах пренебрежение активным сопротивлением статорной обмотки вносит значительные искажения в расчетное зна- чение электромагнитного момента. Отрицательное влияние активного сопротивления статора на характеристики синхронного двигателя проявляется в меньшей степени и при относительно более низких частотах, чем в случае асинхронного двигателя, и может быть в опре- деленной мере скомпенсировано регулированием возбуждения.

Частотное регулирование, являясь практически единственным способом регулирования угловой скорости синхронных двигателей,; характеризуется в основном такими же показателями, что и частот- ное регулирование асинхронных двигателей с короткозамкнутым ро- тором. Это регулирование плавное экономичное двухзонное; стабиль- ность скорости высокая (идеально жесткие характеристики); допу- стимая нагрузка при постоянном возбуждении — номинальный момент (в случае независимой вентиляции); диапазон регулирования вверх от основной угловой скорости ограничивается механической проч- ностью ротора и подшипников; диапазон регулирования вниз с уче- том идеальной жесткости характеристик может быть большим [до (50-:-100): 1 и более] при обеспечении синусоидальности напряже- ния, достаточного запаса устойчивости и сохранении значения мак- симального момента.

Синхронный двигатель обладает очень важным для некоторых применений свойством — при подаче в статорные обмотки постоян- ного тока он создает тормозной момент при неподвижном роторе, обес- печивая тем самым электрическую фиксацию ротора в заданном поло- жении, что позволяет отказаться от применения механического тор- моза.

Посредством явнополюсных или специальных тяговых синхрон- ных двигателей может быть организовано дискретное движение ротора, его поворот на заданный угол и удержание ротора в этом положе- нии. Угловая скорость (средняя) при дискретном движении также регу- лируется изменением частоты переключения обмоток статора двига-

теля (изменением частоты напряжения прямоугольной или ступенча- той формы).

Некоторые трудности при использовании регулируемых синхрон- ных двигателей вызывает их известный недостаток — склонность к качаниям ротора.