3 раздел Скалярное управление

Реально наименьшее значение выходной частоты преобразователя и соответствующее ему значение U f 1 полезно выбирать из условия f1,min 0,ном pnsc / 2 , при котором пусковой момент АД будет близок

моменту сил сопротивления на валу двигателя. Здесь sc — скольжение АД при его статической нагрузке. При подобном выборе зона нечувствительности по сигналу управления скоростью АД будет минимальной, и движение электропривода начнется практически одновременно с началом увеличения сигнала управления.

При вентиляторной нагрузке на валу АД, для которой Mc 2 ,

соотношение между U f и Uu должно обеспечивать закон управления,

близкий к постоянству U1 / f12 . На рис. 3.14 это соотношение отражено в ФП штриховой линией. Начальные значения частоты и напряжения на выходе ПЧ, которые выбираются из тех же соображений, что и при Mc const ,

будут при этом заметно меньше за счет меньших значений пусковых моментов.

При регулировании скорости АД выше номинальной для привода механизмов, имеющих в данном диапазоне скоростей постоянную мощность нагрузки, напряжение питания АД сохраняется равным номинальному значению. При этом допустимый момент АД убывает в первом приближении обратно пропорционально увеличению частоты, а перегрузочная способность АД по моменту уменьшается обратно пропорционально частоте.

Для ограничения токов и моментов АД при его пуске принято ограничивать темп изменения напряжения управления U у за счет включения

вцепь управления задатчика интенсивности.

Встатическом режиме разомкнутая система частотного управления

(см. рис. 3.14) с приведенными выше соотношениями U1 / f1 практически обеспечивает сохранение номинальной перегрузочной способности АД в

диапазоне изменения частоты не более (8...10):1 при постоянной нагрузке и

(10...25):1 – при вентиляторной [13]. При сохранении же заданной точности регулирования скорости АД диапазон се регулирования в разомкнутой системе частотного управления значительно меньше: при постоянной нагрузке и точности регулирования 10% он не превышает диапазона 3:1.

Недостатком разомкнутой системы частотного управления является и отсутствие ограничений переменных электропривода (моментов, токов,

напряжений) при возможных перегрузках со стороны рабочего механизма или отклонениях напряжения питающей сети.

Рисунок 3.14 − Функциональная схема разомкнутой системы ПЧ-АД

сопротивления Mc на валу АД или колебания напряжения питающей электропривод сети Uc . Входными сигналами датчиков являются переменные АД, доступные для непосредственного их измерения (частота,

напряжение и ток статора, скорость ротора, магнитный поток в воздушном зазоре АД) или определяемые расчетным путем с помощью математической модели АД (ЭДС, потокосцепления статора, ротора и т.п.). Выходные сигналы регуляторов, зависящие от управляющих воздействий, сигналов обратных связей Uo.c и принятых алгоритмов регулирования, являются сигналами управления частотой U f выходным напряжением Uu и током Ui

ПЧ.

Рассмотрим примеры замкнутых систем скалярного управления,

наиболее распространенных в промышленных электроприводах.

3.5.3.1 Системы ПЧ-АД с обратной связью по току статора

Вариант функциональной схемы системы частотного управления АД с обратной связью по току статора представлен на рис. 3.16. Здесь сигналы isa

и isc , пропорциональные мгновенным значениям токов фаз А и С обмоток статора, с выхода датчиков тока ДТа и ДТс поступают в функциональный преобразователь тока ФТ, где формируются выходные сигналы I1 и I1a ,

пропорциональные соответственно действующему значению тока статора и активной составляющей этого тока. В узлах 1 и 2 суммируются сигналы управления и обратных связей, поступающие с функциональных устройств Аl, А2 и А3. Устройство А4 обеспечивает прохождение сигнала I1

на вход АЗ лишь при его превышении на сумматоре 3 сигнала I1,max ,

пропорционального действующему значению максимально допустимого тока статора АД.

Назначение каждого из контуров обратных связей и их влияние на свойство ЭП целесообразно рассмотреть в отдельности. Так при действии положительной обратной связи по току со стороны А1, т.е. при k2 0 , по мере увеличения момента статической нагрузки АД и соответствующего увеличения тока статора на вход сумматора 2 поступает дополнительный сигнал Ui , увеличивающий сигнал Uu . В итоге по мере увеличения тока статора увеличивается и выходное напряжение ПЧ. При этом его выходная частота, определяемая сигналом U f , остается постоянной. Повышение напряжения на обмотках статора АД способствует компенсации падения напряжения на полном их сопротивлении и, в результате, увеличению потока намагничивания АД.

Степень компенсации определяется коэффициентом усиления k1 цепи положительной обратной связи по току. Очевидно, чем больше k1 , тем больше будет поток при том же абсолютном скольжении. Предел увеличения k1 определяется условиями устойчивости замкнутой системы управления и допустимыми значениями потока намагничивания и напряжения питания АД.

По мере снижения частоты питания полное сопротивление цепи намагничивания и, следовательно, падение напряжения в статоре АД уменьшается. Поэтому для стабилизации и ограничения потока намагничивания в замкнутой системе по полному току I1 степень компенсации падения напряжения, т.е. коэффициент k1 надо уменьшать по мере снижения частоты выходного напряжения ПЧ.

Подобный недостаток отсутствует при использовании обратной связи по активной составляющей тока статора. Если в качестве сигнала обратной связи принять активную составляющую тока статора, как показано на рис. 3.16, то постоянство потокосцепления статора будет сохраняться при неизменном коэффициенте k1 .

При частотном управлении АД с подобной обратной связью по току возможна реализация механических характеристик электропривода с повышенной перегрузочной способностью по моменту и жесткостью,

близкой к естественной лишь в небольшом диапазоне регулирования скорости.

Влияние положительной обратной связи по току со стороны устройства А2 связано с одновременным воздействием на выходные частоту и напряжение ПЧ. За счет одновременного их увеличения при росте нагрузки на валу АД соответственно увеличивается скорость идеального холостого хода АД, обеспечивая тем самым стабилизацию его скорости, и

сохраняется постоянство перегрузочной способности АД по моменту.

Увеличение коэффициента усиления k2 устройства А2, способствующее повышению жесткости механической характеристики АД, ограничено условиями устойчивости замкнутой системы управления и допустимыми значениями частоты и напряжения питания АД.

Совокупность положительных обратных связей по току с использованием устройств А1 и А2 за счет стабилизации скорости последними позволяет заметно повысить жесткость механических характеристик АД и при постоянной статической нагрузке увеличить диапазон регулирования скорости вниз от номинальной до 10:1 [13].

Достоинство подобных систем заключается в отсутствии тахогенератора на валу АД.

Для защиты преобразователя частоты и двигателя от перегрузок по току используется режим токовой отсечки с помощью сумматора 3 и

устройства А4 (см. рис. 3.16). При I1 I1max на вход ПИ-регулятора тока отсечки АЗ поступает сигнал превышения тока статора выше допустимого.

Выходной сигнал АЗ Uотс может воздействовать как на уменьшение выходного напряжения ПЧ (узел 2 ), так и одновременно на уменьшение частоты питания АД (узел 1 ).

При воздействии только на выходное напряжение преобразователя, при условии, что регулятор АЗ имеет интегральный канал регулирования, за счет отрицательной обратной связи по току преобразователь ПЧ из источника напряжения переходит в режим источника тока. Тогда при постоянстве тока статора АД за счет большего коэффициента обратной связи регулятора АЗ

(для ПИ-регулятора – бесконечно большого), чем устройства А1, при снижении скорости будут уменьшаться поток и момент двигателя, вызывая опрокидывание механической характеристики АД. Подобный режим работы отсечки используется лишь совместно с одновременным воздействием на выходную частоту преобразователя.

За счет поступающего на сумматор 1 сигнала отрицательной обратной связи по току статора (более сильного, чем со стороны устройства

А2) совместно со стабилизацией тока осуществляется снижение его частоты и, следовательно, скорости идеального холостого хода АД. Тем самым обеспечивается постоянство магнитного потока, абсолютного скольжения и,

в итоге, момента двигателя. Однако статическая и динамическая точности стабилизации указанных переменных ограничены условиями устойчивости замкнутых контуров регулирования.

3.5.3.2 Определение электромагнитного момента двигателя при

частотном управлении

Для анализа работы системы ПЧ-АД записываются основные уравнения ЭП переменного тока, связывающие координаты электропривода с параметрами двигателя. На основании схемы замещения фазы АД в установившемся режиме работы (рис. 3.17) имеем:

пар полюсов фазной обмотки статора; 1 − число последовательного

s − абсолютное скольжение, равное

f1) и (или f ) – заданная угловая (циклическая) скорость вращения поля статора и угловая (циклическая) скорость ротора двигателя,

Магнитный поток в воздушном зазоре с учетом, что E1 c1Ф 1, и

формулы (3.17) определяться соотношением: (при Pп 1):

Модуль тока статора [6]