18. Импульсное регулирование частоты вращения ад с фазным ротором

Изначально АД с фазным ротором предназначались для их использования в изображенной на рис.18.1 схеме регулирования частоты вращения.

При включении АД в сеть двигатель работает на 1-й искусственной характеристике М_И1. Последовательным замыканием контактов К1, К2 и К3 двигатель последовательно проходит искусственные механические характеристики М_И2 и М_И3 и выходит на естественную характеристику М_Е.

Недостатки схемы:

- частота вращения АД регулируется ступенчато;

- искусственные механические характеристики АД слишком мягкие;

- имеются большие потери мощности в регулировочных реостатах.

Обеспечить плавность регулирования можно, применив импульсное регулирование величины сопротивления в роторной цепи АД (рис.18.2). Повысить жесткость механических характеристик можно, применив замкнутую схему регулирования частоты вращения АД (рис.18.3). Минимизировать потери мощности в регулировочных элементах можно, применив асинхронно-вентильный каскад (тема 19).

В цепь ротора АД через выпрямительный мост и сглаживающий дроссель Др включено активное сопротивление R_Р, которое шунтируется ключом К (рис.18.2а). Для обеспечения большой частоты коммутации (включения/выключения) ключ К выполняется на основе транзистора или тиристора.

В результате работы ключа сопротивление, на которое замыкаются обмотки ротора, принимает за период Т два значения: 0 и R_Р (рис.18.2б). Если ε - относительная продолжительность замкнутого состояния ключа К, то среднее за период значение сопротивления в роторной цепи составит

(18.1)

Значение ε можно изменять непрерывно, управляя длительностью замкнутого состояния ключа К, и, следовательно, можно непрерывно изменять сопротивление R_РСР в цепи ротора. Механические характеристики АД (рис.18.2в) плавно переходят одна в другую от пусковой характеристики (ключ К постоянно разомкнут и ε=0) до естественной (ключ К постоянно замкнут и ε=1).

Замкнутая САР частоты вращения АД (рис.18.3) с подчиненным контуром тока позволяет сформировать механические характеристики с требуемой жесткостью, в том числе и абсолютно жесткие, если применить регулятор, содержащий И-часть. САР частоты вращения можно также настроить на технический или симметричный оптимумы с наперед заданными показателями качества (см. тему 2).

Коэффициент полезного действия η низкий из-за больших тепловых потерь мощности в сопротивлении R_P в те моменты времени, когда ключ К разомкнут. Зависимость коэффициента полезного действия η от скольжения s приведена на рис.18.3в.

19. Сар частоты вращения ад с фазным ротором на базе асинхронно-вентильного каскада (авк)

В регулировочных режимах в сопротивлении R_P (рис.18.3) выделятся тепло. Мощность тепловыделений равна произведению напряжения U_RP на сопротивлении R_P и тока I_RP через него. Эту мощность можно с помощью инвертора напряжения преобразовать в мощность переменного тока и отдать (рекуперировать) ее в сеть. Наиболее простое решение рекуперации энергии достигается на ведомом сетью инверторе напряжения.

Схема асинхронно-вентильного каскада (АВК) содержит (рис.19.1) АД, в цепи фазного ротора которого имеется неуправляемый выпрямитель, и ведомый сетью инвертор напряжения на базе управляемого выпрямителя.

К инвертору от выпрямителя ВКД (вентильного комплекта двигателя) подведена э.д.с., пропорциональная скольжению s АД. Угол опережения β инвертора выбирается таким, чтобы между напряжениями ВКД и ВКИ соблюдалось соотношение . Инвертор, состоящий из вентильного комплекта ВКИ и согласующего трансформатора Тр, потребляет мощность постоянного тока и эта мощность, но уже на переменном токе, подведена к нижним (по схеме) обмоткам трехфазного трансформатора и затем трансформируется в обмотки, подсоединенные к сети. Таким образом, мощность цепи ротора АД, которая в схемах на рис.18.2 и рис.18.3 рассеивалась в виде тепловой мощности в регулировочном резисторе R_Р, в схеме АВК отдается в сеть. К.п.д. АВК во всем диапазоне частот вращения АД поддерживается на максимально достижимом уровне – порядка 0,75…0,85.

САР частоты вращения АД на базе АВК может быть вполне удовлетворительным даже, если она выполнена по схеме разомкнутого типа, так как механические характеристики схемы АВК близки к характеристикам частотного управления, приведенными на рис.13.3в, что доказывается ниже.

У АД, не используемого в АВК, существует только одно значение скольжения холостого хода на естественной характеристике s_XXе=0, при котором вращающий момент АД нулевой. У АД, используемого в АВК, на искусственных механических характеристиках существует бесконечно много значений скольжения холостого хода s_XXβ, при котором вращающий момент АД нулевой, и эти скольжения зависят от угла опережения β инвертора. Действительно, вращающий момент М АД обращается в ноль, если во всех его роторных обмотках токи нулевые и, следовательно, нулевой ток I_d (рис.19.1). Ток I_d согласно рис.19.1 равен

(19.1)

где R_Э – эквивалентное сопротивление цепи протекания тока I_d.

Ток I_d обращается в ноль согласно (19.1) при скольжении

(19.2)

Только при β=90^О скольжение s_XXβ=0 и совпадает с s_XXе=0 для АД без АВК.

Жесткость искусственных механических характеристик, как показывают расчеты, уменьшается при увеличении скольжения s_XXβ. Зная скольжения s_XXβ холостого хода естественной или искусственных механических характеристик, можно рассчитать частоты вращения холостого ω_ХХ хода для этих характеристик по формуле

(19.3)

где ω₀ - частота вращения магнитного поля статора.

Механические характеристики АД, включенного в схему АВК, приведены на рис.19.2. Из них следует, что для повышения частоты вращения АД в схеме разомкнутого типа нужно увеличить угол опережения β. С увеличением β значение входного напряжения инвертора уменьшится и при неизменном значении выходного напряжения ВКД ток I_d согласно (19.1) увеличится, увеличится далее вращающий момент двигателя и частота вращения будет возрастать. Значение напряжение на кольцах ротора и, следовательно, будут уменьшаться.

Для уменьшения частоты вращения угол β нужно уменьшать, увеличив тем самым, входное напряжение ВКИ. Ток I_d уменьшится, уменьшится вращающий момент М и частота вращения АД будет понижаться.

Более качественное регулирование частоты вращения АД с любой жесткостью механических характеристик АЭП и другими заданными показателями качества, например, показателями качества модального управления, может быть достигнуто при включении схемы АВК (рис.19.1) в контур регулирования скорости. Схема САР частоты вращения с использованием АВК приведена на рис.19.3. Она подобна схеме с рис.18.3 с тем отличием, что СИФУ управляет тиристорами вентильного комплекта ВКИ инвертора АВК.

Скалярные системы автоматического управления асинхронными двигателями базируются только на прямом учете параметров механических переходных процессов, но они не учитывают в полном объеме электрические и электромеханические процессы. Для мощных АД, имеющих значительную электрическую инерцию, а также для электроприводов, к динамическим процессам которых предъявляются высокие требования, сложно реализовать качественный АЭП без учета электрических переходных процессов. Такие требования могут быть учтены, если использовать полные дифференциальные уравнения обмоток АД, что реализовано в системах векторного управления АД.