3 раздел Скалярное управление
.pdfлебедок, главных механизмов экскаваторов, уникальных грузоподъемных механизмов;
машина двойного питания – для главных приводов непрерывных черновых групп современных широкополосных станов; приводов вентиляторов главного проветривания, насосов главного водоотлива, насосов гидравлического транспорта, мощных конвейеров в угольной промышленности, питательных насосов, размольного оборудования,
электромеханических преобразователей для связи двух энергосистем в энергетике.
Простой перечень приводов производственных механизмов определяет широкий диапазон требований к САУ этих электроприводов.
3.4 Тиристорные преобразователи частоты со звеном постоянного
тока
3.4.1 Необходимые понятия
Наибольшими возможностями обладают преобразователи частоты с промежуточным звеном постоянного тока, позволяющих регулировать частоту в широких пределах: от нескольких тысяч герц до сотых долей герца независимо от частоты питающей сети fc . Это является основным достоинством преобразователей с промежуточным звеном постоянного тока и в значительной степени определяет широкую область их применения. В
литературе обычно такие преобразователи частоты обозначают как ПЧ.
Преобразователь частоты со звеном постоянного тока (далее ПЧ)
бывают двух типов: 1) в виде автономного инвертора напряжения (АИН); 2)
в виде автономного инвертора тока (АИТ). В таких ПЧ всегда регулируется две координаты: напряжение Uп (или ток Iп ) и частота fп выходного напряжения. Частота fп может регулироваться как вверх, так и вниз от
номинальной |
частоты |
fном |
(обычно fном 50 Гц ). Верхний предел |
регулирования |
частоты |
fп |
ограничивается максимально допустимой |
скоростью вращения АД, а нижний – частотой перехода АД в «пошаговый»
режим вращения.
3.4.2 Упрощенные функциональные и принципиальные схемы
преобразователя частоты
ПЧ соответствует режиму работы управляемого тиристорного выпрямителя (УВ), поддерживающего постоянство либо заданного напряжения Ud const , либо заданного тока Id const , на входе автономного инвертора (АИ) преобразующего соответствующий постоянный сигнал в переменное фазное напряжение Uп,ф заданной частоты fп,ф (рис.
3.9).
Автономные инверторы напряжения имеют отрицательную обратную связь по напряжению, которая обеспечивает постоянство фазного напряжения вне зависимости от скорости АД.
В автономных инверторах тока используется отрицательная обратная связь по току и устанавливается сглаживающий реактор с большой индуктивностью, обеспечивающие постоянство фазного тока АД. Отметим,
что АИТ принципиально не могут работать без обратной связи.
АИН и АИТ по своей структуре аналогичны. АИН с внутренними контурами фазных токов АД становится АИТ.
Преобразователи частоты с промежуточным звеном постоянного тока включают в себя управляемый выпрямитель переменного тока в постоянный
(преобразователь напряжения UV), звено постоянного тока с фильтром L и
автономный инвертор (преобразователь частоты UZ) (рис.3.10, а).
В качестве управляемого выпрямителя используется тиристорный выпрямитель обычно с полностью управляемой трехфазной мостовой схемой
с системой импульсно-фазового управления – СУВ. В установившемся
режиме работы выпрямитель УВ рассматривают как преобразователь
управляющего напряжения U ун с коэффициентом усиления:
kпн = |
Eп |
, |
(3.11) |
|
|||
|
U ун |
|
|
где Eп , Uун – ЭДС и напряжение управления преобразователя.
fc 50Гц
|
ФП |
Uзн (Uзт ) |
|
|
УВ |
|
|
|
|
|
|
|
|
Ud const |
(Id const) |
Uзч |
СУИ |
АИ |
|
(АИН,АИТ)
Uп,ф fп,ф
АД
Рисунок 3.9 − Функциональная схема преобразователя частоты со звеном постоянного тока: СУИ − система управления инвертором; ФП − функциональный преобразователь
а) |
б) |
Рисунок 3.10 − Функциональные схемы: а − преобразователя частоты со звеном постоянного тока; б − системы управления инвертором
Автономный инвертор АИ преобразует постоянное напряжение,
обеспечиваемое выпрямителем в переменное с регулируемой частотой. Он выполняется на тиристорах или биполярный IGBT-транзистор, включенных по трехфазной мостовой схеме, и имеет собственную систему управления. В
систему управления инвертором (СУИ) входят: задающий генератор (ЗГ),
преобразующий сигнал задания U уч в соответствующую последовательность
импульсов; распределитель импульсов (РИ), вырабатывающий на каждый импульс ЗГ соответствующие управляющие импульсы для каждого канала управления АД; формирователь импульсов (ФИ), обеспечивающий необходимую амплитуду, длительность и кривизну переднего фронта импульсов, подаваемых на соответствующие входы АИ (рис. 3.10, б). Все эти устройства безынерционные, поэтому инвертор характеризуется коэффициентом передачи напряжения управления инвертором U уч в частоту
напряжения питания двигателя fд
k |
=k |
|
k |
k |
= |
|
fзг |
|
fри |
|
fд |
= |
fд |
= |
1 |
k |
|
, |
(3.12) |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
пч |
|
зг |
|
ри фи |
|
Uуч |
|
fзг |
fри |
Uуч |
|
3 |
зг |
|
|
||||
где kзг |
– коэффициент |
передачи задающего |
генератора; |
kри 1/ 3 – |
|
коэффициент передачи разделителя импульсов; |
kфи 1 – |
коэффициент |
|||
передачи |
формирователя |
импульсов; |
fзг, fри |
– частоты |
напряжений |
задающего генератора и распределителя импульсов.
Выходной координатой ПЧ является последовательность мгновенных импульсов переменной полярности: в АИН – мгновенных импульсов ЭДС, в
АИТ – мгновенных импульсов тока для каждой фазной обмотки статора АД.
Эти импульсы подаются на фазные обмотки с заданной частотой fп и в зависимости от схемы включения обмоток статора могут иметь либо прямоугольную, либо пирамидоидальную форму (рис. 3.11). При этом, как правило, линейный ток АД имеет прямоугольную, а фазный ток пирамидоидальную формы.
Id ,Ud
Id ( Ud )
Ud
(Id )
t
Ud
( Id )
Id ( Ud )
Рисунок 3.11 − Мгновенные импульсы тока Id и напряжения Ud на выходе
соответственно автономного инвертора тока и автономного инвертора напряжения
АИН применяют при создании систем частотного управления
асинхронного ЭП. В таких системах выходное переменное напряжение
преобразователя формируется по принципам ШИМ. АИТ используют для создания частотно-токовых систем управления ЭП.
В частотно-токовых системах управления при задании постоянной
величины фазного тока |
статора |
АД I1 const обеспечивается |
одновременное постоянство |
магнитного |
потока возбуждения Ф const . |
Учитывая, что момент вращения двигателя MAD пропорционален и
магнитному потоку Ф и току статора I1, |
в частотно-токовых системах при |
|
регулировании скорости двигателя |
регулированием частоты |
fп |
обеспечивается постоянство момента АД, т.е. MAD =const . Такое регулирование характерно для системы управления двигателями постоянного тока в первой зоне регулирования скорости.
В системах частотно-токового управления инвертор АИ получает питание от источника тока (ИТ), роль которого играет управляемый тиристорный выпрямитель УВ с контуром регулирования тока (рис. 3.12).
АИТ не может работать в режиме холостого хода из-за больших перенапряжений, вызванных прерываниями тока. Поэтому обмотка статора
АД должна быть зашунтирована ёмкостью С.
|
|
fc 50Гц |
|
Uзт |
|
УВ |
|
РТ |
(ИТ) |
||
|
BId
L Id const
Рисунок 3.12 − Упрощенная принципиальная схема контура регулирования тока ПЧ в частотно-токовых системах управления на основе АИТ
Упрощенная принципиальная схема АИТ приведена на рис. 3.13. Схема
работает следующим образом: Из СУИ подаются управляющие импульсы на
тиристор VS1 и VS4, открывая их. При этом заряжаются две ёмкости C13 и
C24 с полярностью, показанной на рисунке. Заряд осуществляется по цепям:
(+)→VS1→C13→VD3→VD4→VS4→(–) для ёмкости C13;(+)→VS1→VD1→
VD2→ C24 →VS4→(+) для ёмкости C24 . Отсекающие диоды VD3 и VD2 не
дают возможности разряжаться |
ёмкостям C13 и C24 (в нерабочие |
интервалы тиристоров VS1 и VS4 |
по цепям: ( C13)→VD1→«А»→«В»→VD3 |
( ) VD4 «В» «A» VD2, так как это недопустимо для АИТ!
L
Id const
АД
Рисунок 3.13 − Упрощенная принципиальная схема автономного инвертора тока: VS1÷VS6 − управляемые тиристоры; VD1÷VD6 − отсекающие диоды; Id − постоянный ток питания инвертора от источника тока
При подаче управляющих импульсов на вторую пару тиристоров VS3 и
VS6 заряжаются ёмкости C35 C46 . В этот момент времени ёмкость C13
начинает разряжаться через тиристор VS1, закрывая его. Одновременно по цепи (+)→VS3→C13→VD1→«А»→«В»→VD4→C46 →VS6→(–) продолжает протекать ток по фазе А статорной обмотки двигателя. Это продолжается до тех. пор, пока в результате перезарядки ёмкость C13 ток в фазе А станет равным нулю, а ток в фазе В примет значение Id . Положительный импульс тока + Id (смотри рис. 3.11) проходит по цепи: (+)→VS3→VD3→«В»→«С»→
VD6→VS6→(–). Отсекающими в данном случае служат диоды VD5 и VD4.
Аналогичные процессы происходят при подаче из СУИ управляющих импульсов на последнюю пару тиристоров VS5 и VS2.
В результате работы схемы, представленной на рис. 3.13, линейный ток АД имеет прямоугольную форму, а фазный ток АД – пирамидоидальную
(см. рис. 3.11). Естественно, что как при прямоугольной, так и при пирамидоидальной формах тока статора механические характеристики АД строятся для первой гармоники тока.
Скалярное частотно-токовое управление АД характеризуется малым критическим скольжением и постоянством критического момента при постоянстве питающего АД тока и изменении его частоты. Однако в разомкнутых системах подобное управление практически исключено,
поскольку с увеличением нагрузки (скольжения) резко падает магнитный поток АД и для обеспечения желаемых перегрузочных способностей АД по моменту требуется заметное превышение поминальных значений напряжения питания и тока статора [13].
3.5 Системы частотно управления на основе автономного инвертора напряжения
3.5.1 Необходимые понятия
Для управления скоростью и моментом электроприводов с преобразователями частоты требуется регулировать напряжение и частоту. При регулировании скорости изменением частоты при постоянном напряжении питания статора (U1 const) изменяется магнитный поток двигателя. Учитывая,
что АД в номинальном режиме работают с насыщенной магнитной системой,
магнитный поток Ф можно только уменьшать (частоту f1 напряжения статора
U1 повышать) и регулировать скорость вверх от номинальной скорости, но при этом уменьшается критический момент Mк .
При снижении частоты f1 регулирование скорости ротора 2 должно осуществляться по закону управления Костенко:
|
U1 |
|
U1,ном |
const |
при Ф const. |
(3.13) |
|
|
|||||
|
f1 |
|
f1,ном |
|
|
|
Однако при изменении нагрузки (Mc var) магнитный поток Ф не остается постоянным из-за изменения падения напряжения на активном и индуктивном сопротивлениях двигателя. Следовательно, первая задача,
которую должна решать САУ электропривода – это стабилизация магнитного потока при изменении нагрузки. Это можно осуществить в замкнутой системе с отрицательной обратной связью по магнитному потоку с воздействием на напряжение двигателя U1. Вместе с тем, такая система
управления |
обеспечивает небольшой диапазон регулирования скорости |
(D 7 10) |
из-за невысокой жесткости механических характеристик, и |
измерение магнитного потока представляет определенные трудности. Для стабилизации магнитного потока используются связи по току (постоянному и переменному), ЭДС, скорости, перепаду скорости и абсолютному скольжению. Однако системы с такими связями обеспечивают стабилизацию
магнитного потока в меньшей степени, чем система с непосредственным контролем магнитного потока, но исключают применение сложного датчика магнитного потока.
Второй задачей САУ ЭП является повышение жесткости механических характеристик и увеличения диапазона регулирования скорости. Это осуществляется замкнутой системой с отрицательной обратной связью по скорости с воздействием на частоту f1 напряжения питания двигателя.
Вместо связи по скорости для стабилизации частоты (скорости) могут применяться также связи по току, перепаду скорости и абсолютному скольжению, которые менее эффективны, чем связь по скорости [6].
Поэтому, если в системе управления приводом для стабилизации скорости АД применяется связь по скорости, то ее используют и для стабилизации магнитного потока. Неудобство в такой схеме вызывает наличие двух задатчиков задающих напряжений: по напряжению Uзн и по частоте Uзч . Однако, учитывая, что Uзн функционально зависит от сигнала управления по частоте Uуч , в системах частотного управления асинхронного ЭП на основе АИН используется один задатчик частоты с Uзч , а задающее напряжение Uзн обеспечивается функциональным преобразователем (ФП) в
зависимости от Uзч .
3.5.2 Разомкнутые системы частотного управления
При невысокой точности и ограниченном диапазоне регулирования скорости АД наиболее целесообразным является его частотное управление в разомкнутой системе электропривода (рис. 3.14). В подобных системах частота f1 и напряжение питания U1, АД формируются пропорционально
напряжению управления U у в ПЧ на базе автономного инвертора напряжения для компенсации падения напряжения во внутренних