11.3. Система скалярного керування частотно-регульованого асинхронного електропривода

Принцип скалярного керування асинхронних двигунів ґрунтуєть-ся на зміні частоти і біжучих значень модулів напруги, магнітного потоку і струмів. При цьому керування швидкістю двигуна може забезпечуватись одночасним регулюванням частоти і напруги , або частоти і струму статора . Перший спосіб керування називається частотним керуванням, другий – частотно-струмо-вим.

Частотне керування широко використовується в даний час, бо для нього є характерним простота вимірювання змінних і можли-вість створення простих розімкнених систем керування. Недолік – трудності регулювання швидкості і моменту в динамічних режимах, що зв’язано зі швидкоплинністю і складністю електромагнітних процесів, що протікають у двигуні.

Частотно-стримове керування характеризується малим критич-ним ковзанням і сталими критичним моментом та сталим струмом статора при зміні його частоти. В розімкнених системах керування такий спосіб керування не використовується, оскільки при збільше-нні навантаження різко зменшується магнітний потік і для забезпе-чення необхідної перевантажувальної спроможності за моментом потрібно збільшувати напругу і струм понад номінальні значення, що робити недоцільно.

Розімкнені системи керування. При невисокій точності і діапа-зоні регулювання до 10 за умови сталого навантаження і діапазоні до 25 при вентиляторному навантаженні вико-ристовуються розімкнені системи. В таких системах частота і напруга живлення формуються прямопропорційно напрузі керуван-ня в перетворювачі частоти (ПЧ) на базі автономного інверто-ра напруги (рис.11.5). Для компенсації спаду напруги на внутрішніх опорах ПЧ і можливого підвищення напруги в мережі живлення використовуються внутрішні контури стабілізації вихідної напруги. Крім того, для забезпечення сталої перевантажувальної здатності двигуна передбачена компенсація спаду на-пруги на активному опорі обмотки статора за рахунок функціональ-ного перетворювача ФП з нелінійною характеристикою (рис.11.5).

Для більшості серійних перетворювачів нелінійна залежність між заданою напругою і напругою на виході ФП встанов-люється вибором двох базових точок: при і при . Першу точку вибирають з умови обмеження струму статора у стопорному режимі на рівні , що відповідає напрузі на виході перетворювача , де – активний опір обмотки статора.

Рис.11.5. Функціональна схема розімкненої системи ПЧ-АД

Друга точка вибирається з умови мінімального значення частоти, при якій іще справедливе співвідношення . При діапазоні регулювання швидкості 8...10 ця частота складає .

При вентиляторному навантаженні для забезпечення закону ке-рування характеристика ФП має мати вид параболи (пунктирна лінія на рис.11.5).

Для обмеження струму і моменту при пуску двигуна використо-вується задавач інтенсивності, що забезпечує зміну задаючої напру-ги за лінійним законом.

Розімкнена система частотного керування проста за будовою, але не обмежує момент, струм і вихідну напругу при перевантажен-ні і зниженні напруги в мережі живлення, що є її недоліком.

Замкнені системи частотного керування. Формування необ-хідних за технологічними умовами статичних і динамічних характе-ристик асинхронного частотно-регульованого електропривода мож-ливо лише в замкнених системах регулювання його координат. Уза-гальнена функціональна схема такої системи (рис.11.6) складається з АД, керованого перетворювача частоти ПЧ, регуляторів Р і дава-чів змінних електропривода Д ( , , та інших).

Рис.11.6. Функціональна схема замкненої системи ПЧ-АД зі скалярним керуванням

Керуючими впливами на вході регулятора можуть бути сиг-налами задання любих координат електропривода – швидкості, кута повороту ротора, струму статора, магнітного потоку тощо. Збурю-ючими впливами можуть бути момент сил опору чи коливання напруги мережі . Вхідними сигналами давачів можуть бути змі-нні двигуна, які доступні безпосередньому вимірюванню (частота, напруга і струм статора, магнітний потік), так і визначені розрахун-ковим шляхом (ЕРС, потокозчеплення статора і ротора тощо). Вихідні сигнали регуляторів, які залежать від керуючих впливів , сигналів зворотних зв’язків і прийнятих алгоритмів керування, є сигналами керування частотою , вихідною напругою і стру-мом перетворювача частоти.

Із багатьох систем автоматичного регулювання швидкості най-більш простою є система з додатним зв’язком за струмом, але діапа-зон регулювання її обмежений і не перевищує 10. Для збільшення діапазону регулювання вказану систему доповнюють зворотним зв’язком за швидкістю. Тоді при збільшенні навантаження збіль-шується сигнал розузгодження, що призводять до збільшення час-тоти та напруги і за умови застосування ПІ-регулятора швидкості механічна характеристика стає абсолютно жорстокою (лінія 1 на рис.11.7,а). При цьому напруга і частота пропорційно зростають, як показано на рис.11.7,б.

При досягненні максимального моменту обмежується нап-руга на виході регулятора швидкості і вступає в дію відсічка за струмом, що призводить до зниження напруги і частоти відповідно до значень (лінія 2 на рис.11.7,а).

а

б

Рис.11.7. Механічні характеристики (а) і залежності вихідних напруги і частоти частотного перетворювача

Системи частотного регулювання є нелінійними. При роботі АД на ділянці характеристики з ковзанням нелінійну систему можна лінеаризувати і вона матиме вид, представлений на рис.11.8. На схемі прийняті такі позначення:

Рис.11.8. Структурна схема системи ПЧ-АД зі зворотним зв’язком за швидкістю

– модуль жорсткості лінеарезованої меха-нічної характеристики; – електромеханічна стала часу; – еквівалентна електромагнітна стала часу кіл ста-тора і ротора; в зоні частот ; – стала часу кола керування ПЧ, яка при високих частотах модуляції вихідної напруги промислових ПЧ (2...50kГц) не перевищує 0,001с.

Коефіцієнт зворотного зв’язку за швидкістю . При номінальному задаючому сигналі керування .

Передавальна функція асинхронного двигуна

. (11.8)

За умови (11.8) можна представити у виді:

, (11.9)

де і .

Якщо вважати і малими некомпенсованими сталими часу, то технічно-оптимальний перехідний процес в системі буде за таких параметрів регулятора швидкості: і .

Система частотно-струмового керування. При частотно-стру-мовому керуванні АД живиться від перетворювача частоти, який працює в режимі джерела струму (ПЧС). До складу ПЧС входять керований випрямляч КВ з контуром стабілізації струму (джерело струму) і автономний інвертор струму. Така система є розімкненою і має невеликий діапазон регулювання. Тому її доповнюють зворот-ним зв’язком за швидкістю. Тоді така система забезпечує незалеж-ність електромагнітного моменту АД від частоти і при заданому струмі статора та абсолютному ковзанні, рівному критичному, має більший момент, ніж при живленні АД від джерела напруги.

Рис.11.9. Структурна схема системи ПЧ-АД з частотно-струмовим керуванням

На структурній схемі: – коефіцієнт передачі частотного пе-ретворювача; – коефіцієнт жорсткості механічної характеристики; і – відповідно критичний момент і критичне ковзання при живленні АД від джерела струму; , де , і – відповідно індуктивний опір кола намагнічування, індуктивний і активний опори обмотки рото-ра, приведені до кола статора при ; – еквівалентна електромагнітна стала часу; – електроме-ханічна стала часу.

Технічно-оптимальний перехідний процес в системі згідно рис.11.9 буде при таких параметрах ПІ-регулятора швидкості: і , де – найменша стала часу двигуна .

Механічні характеристики в системі ПЧС-АД з частотно-струмо-вим керуванням є абсолютно жорсткими і подібні до характеристик електропривода постійного струму у двоконтурній системі підпо-рядкованого регулювання струму і швидкості з ПІ-регуляторами.