5.5. Система преобразователь частоты — асинхронный двигатель

Наиболее простым, дешевым и надежным электрическим двигателем является асинхронный короткозамкнутый дви­гатель, поэтому его использование в регулируемом электро­приводе представляет особый интерес. Как было установлено, возможности регулирования, аналогичные возможностям изме­нения напряжения на якоре двигателя постоянного тока с независимым возбуждением, в асинхронном электроприводе обеспечиваются путем изменения частоты напряжения и тока статорной обмотки. Для реализации этих возможностей необ­ходимо осуществлять питание статорной обмотки двигателя от управляемого преобразователя частоты.

Регулирование частоты представляет собой технически бо­лее сложную задачу, чем регулирование выпрямленного напря­жения, так как, как правило, требует дополнительных ступе­ней преобразования энергии.

Наибольшее число ступеней преобразования характерно для электромашинных преобразователей частоты. Для регулирова­ния частоты вырабатываемого синхронным генератором напря­жения необходимо регулировать его скорость. Для этой цели привод генератора необходимо осуществлять либо по системе Г — Д, либо по системе Т П — Д. Электромашинный преоб­разователь частоты содержит соответственно два преобразо­вательных агрегата: асинхронный двигатель, вращающий гене­ратор постоянного тока, и двигатель постоянного тока, вра­щающий синхронный генератор с регулируемой скоростью. Электропривод с таким преобразователем частоты имеет пять ступеней преобразования энергии, увеличенные примерно в 5 раз массу, габариты и стоимость (по сравнению с нерегулируе­мым электроприводом), ухудшенный КПД, и его использо­вание экономически нецелесообразно.

На рис. 5.9 приведена схема вентильно-элсктромашинного преобразователя частоты, в котором регулирование скорости синхронного генератора производится по системе ТП—Д. Здесь вместо электромашинного агрегата, вырабатывающего регулируемое напряжение постоянного тока, применен более экономичный тиристорный преобразователь. Однако и в этом случае преобразователь частоты содержит три ступени преоб­разования энергии, из них две - электромеханического преоб­разования. Схема непосредственного регулирования скорости по системе ТП-Д проще и дешевле, поэтому применение системы ПЧ-АД, показанной на рис. 5.9, может иметь место только в специальных установках, например в случаях, когда двигатель постоянного тока не может быть применен для привода исполнительного механизма по техническим условиям.

В § 3.11 было отмечено, что при изменении частоты необ­ходимо регулировать напряжение или ток статорной обмотки асинхронного двигателя. В схеме на рис. 5.9 соответственно присутствуют два канала управления: канал управления часто­той (Uy,ч), воздействующий на скорость синхронного генера­тораСГ,и канал управления напряжением, воздействующий на возбуждениеСГ (Uy.н).

Канал регулирования частоты имеет структуру системы Т П — Д (рис. 5.9) и обладает значительной инерционностью, обусловленной механической инерцией преобразовательного агрегата ПД — СГ. Канал регулирования напряжения также инерционен в связи с наличием электромагнитной инерции цепи возбуждения синхронного генератора. Поэтому как объект управления представленная на рис. 5.9 система обладает небла­гоприятными свойствами.

Наименьшим числом ступеней преобразования энергии об­ладают вентильные преобразователи частоты. Они содержат ступень преобразования переменного тока в постоянный и сту­пень инвертирования. Эти две ступени в самостоятельном виде присутствуют в преобразователях частоты со звеном постоянного тока. В преобразователе частоты с непосредст­венной связью функции выпрямления и инвертирования совмещены в реверсивном преобразователе постоянного тока, выпрямленное напряжение или ток которого изменяются с требуемой частотой с помощью системы управления преоб­разователем. Как следствие, наиболее близкими к системе ТП-Д массогабаритными показателями обладает система ПЧ - АД с преобразователем с непосредственной связью, а система с преобразователями, содержащими ступень постоян­ного тока, уступает по этим показателям системе ТП - Д. Однако различия по мере совершенствования тиристорных преобразователей частоты постепенно сокращаются, и сущест­венные преимущества асинхронного двигателя определяют не­сомненную перспективность системы ПЧ — АД.

Рис. 5.9. Схема электропривода с электромеханическим преобразователем частоты

Известно, что вентильные преобразователи частоты могут обладать либо свойствами источника напряжения, либо свой­ствами источника тока. В первом случае наряду со входом управления частотой uу,ч преобразователь имеет вход управ­ления напряжениемuу,н (рис. 5.10, а). В случае инвертора тока регулирование магнитного потока машины при регули­ровании частоты осуществляется по входу управления токомuу,т(рис. 5.10,6).

Канал управления частотой может осуществлять либо дискретное, либо непрерывное формирование частоты напря­жения и тока. При непрерывном формировании синусоидаль­ных напряжений или токов заданной частоты его можно считать практически безынерционным. Канал управления нап­ряжением или током воздействует на тиристорный выпрями­тель, и его быстродействие может оцениваться быстродей­ствием этого управляемого преобразователя.

Как было установлено в § 3.12, при таком управлении напряжением в схеме рис. 5.10, я или током в схеме рис. 5.106,

Рис. 5.10. Схемы асинхронного электропривода с преобразователями частоты (а, б) и векторная диаграмма (в)

которое обеспечивает постоянство потокосцепления Ψ1 = const, или при постоянстве Ψμ или Ψ 2 в пределах значений абсо­лютного скольженияSa<Sк уравнение механической характе­ристики двигателя имеет вид

В системе ПЧ - АД (рис. 5.10)

Дополнив эти уравнения уравнением движения электро­привода, получим систему уравнений, которой соответствует представленная на рис. 5.11 структурная схема системы ПЧ - АД.

Параметры β и Тэ в этой структуре должны соответство­вать требуемому режиму работы электромеханического пре­образователя: Ψ1 == const, Ψμ = const или Ψ2 = const.

Динамические свойства системы ПЧ - АД как объекта управления менее благоприятны, чем динамические свойства регулируемых электроприводов постоянного тока, в связи с отсутствием независимого канала регулирования потока, анало­гичного обмотке возбуждения двигателя с независимым воз­буждением. Так, при питании от источника напряжения потоко­сцепления Ψ1, Ψμ, и Ψ2; сложно зависят от напряжения U1, частотыf1 и абсолютного скольженияSа

Для поддержания потока на заданном уровне при этих усло­виях необходимо регулирование его либо по отклонению, либо по принципу компенсации. В последнем случае управление напряжением Uу,н (рис. 5.10,а) илиUу,т (рис. 5.10,6) реализуется на основе известной взаимосвязи между Ψ1, Ψμ, или Ψ2, управляющими воздействиями U1 илиI1и возмущающими факторамиf1 иSa.

Взаимосвязь U1 и Ψ1можно определить с помощью уравнений электрического равновесия, записанных в векторной форме для статического режима в осяхх, у,и представить в виде

Зависимость (5.17а) позволяет для текущих значений частоты и абсолютного скольжения определять значения напряжения l/i, которые в статическом режиме работы соответствуют условию

Ψ1 =const. Она используется для формирования структуры функционального преобразователя, управляющего напряжением преобразователя частоты в процессе работы электропривода.

В динамических режимах изменениям момента двигателя соответствуют изменения угла между вектором напряжения U1 или тока_ статора I1 и вектором намагничивающего тока машины Iμ (см. рис. 3.27, в и 3.40, б).При неизменной фазе вектораu1 (илиi1 при питании от источника тока) изменения указанного угла реализуются за счет соответствующих пере­мещений ротора, и вследствие механической инерции возникают несоответствия, нарушающие выполнение условия |Ψ1| =const. Изменения основного потока машины вызывают проявления электромагнитной инерции, и динамические свойства электро­привода как объекта управления существенно ухудшаются. Сравнивая векторные диаграммы на рис. 3.27, в и 3.40,б, можно установить, что при частотно-токовом управлении, когда преобразователь частоты обладает свойствами источника тока |i1 | =const, изменения угла между управляющим вектором и вектором намагничивающего тока наиболее значительны. При этом для поддержания постоянства потока в динамике необходимо не только изменять амплитуду, но и корректировать фазу вектора тока статора.

Для определения необходимых для такого управления количественных связей запишем уравнения механической харак­теристики в осях x,y(ωк=ω0 эл)

Рис. 5.11. Структурная схема линеаризованной системы ПЧ – АД

Уравнения потокосцспления ротора

Поставив цель поддерживать постоянным вектор потокосцепления ротора Ψ2 совместим его с осью х,при этом Ψ2x= Ψ2max Ψ2y= 0, и из уравнений потокосцепления получим

Подставляя эти соотношения и значения в уравнения механической характеристики, получаем

Векторная диаграмма, соответствующая полученным соот­ношениям, приведена на рис. 5.10, в.Она показывает, что составляющая i1x вектора тока статора является намагничиваю­щим током и при ψ2 =const,i1x=const. Составляющаяi1yпредставляет собой активный ток, которому при ψ2 == const пропорционален момент двигателя. С помощью векторной диаграммы определим искомые соотношения, позволяющие обеспечить условие ψ2= const в динамических процессах:

Следовательно, при частотно-токовом управлении электро­приводом система управления преобразователем должна обес­печивать возможность формирования первой гармоники тока статора для поддержания ψ2 = const в соответствии с (5.176) и (5.17в):

Поэтому показанный на рис. 5.10, бинвертор тока ПЧ(ИТ} снабжен кроме входов управления амплитудойUу.т и частотой токаUу,ч также входом управления фазой токаUу,ф Уравнение механической характеристики

При идеальном поддержании ψ2 = const электромагнитная постоянная Tэ в структуре на рис. 5.11 равна нулю. Однако практически в связи с неточностями компенсации возможные проявления электромагнитной инерции следует учитывать малой не компенсируемой постоянной Тэ

Значение Тэ при ψ1 = constопределяется по (3.89). Этим же

соотношением можно пользоваться при ψμ= const, подставляя

вместо Xк значение X`2

Однако следует отметить, что внимания заслуживают и такие законы управления, которые обеспечивают снижение потерь энергии, выделяющихся в двигателе. В частности, управление, близкое к оптимальному по критерию минимума потерь, осуществляется при поддержании абсолютного сколь­жения, равного критическому при всех нагрузках: Sа =Sк =const. Этому условию при каждом моменте М соответствуют наименьшие значения тока статораIi= /iminпри М =const.

При использовании такого управления следует учитывать, что при уменьшении нагрузки от Мном до 0 снижение потерь достигается из-за уменьшения тока намагничивания Iμ, т. е. по­тока машины Фμ. А это означает, что при управлении приSа =Sк =constосновной поток изменяется в широких пределах, что приводит к сильному влиянию электромагнитной инерции, существенно снижающему быстродействие при регулировании координат.

Коэффициент полезного действия системы ПЧ — АД с вен­тильным преобразователем несколько ниже, чем в системе ТП — Д, если имеется звено постоянного тока, так как при этом преобразование напряжения и тока осуществляется дважды.

Однако и в этом случае в связи с малыми потерями энергии в тиристорах он остается достаточно высоким.

Коэффициент мощности в этой системе близок к значению коэффициента мощности в системе ТП - Д, если в качестве звена постоянного тока используется тиристорный преобра­зователь. Он достаточно высок только в системах с неуп­равляемым выпрямителем, однако при этом отсутствует воз­можность рекуперации энергии в сеть в тормозных режимах электропривода. Использование режимов рекуперации энергии может существенно снижать потребление энергии установкой за цикл работы, поэтому при сравнении вариантов системы этот фактор необходимо учитывать.