Регулирование напряжением. 
Электрический привод

Регулирование скорости двигателя за счет вариации напряжения питания (см. рис. 2.28), например с помощью тиристорного регулятора напряжения (ТРИ) в незамкнутой системе регулирования, также не дает удовлетворительного диапазона, который находится в пределах 1,3… 1,5 с резким уменьшением критического момента двигателя, поэтому при постоянном статическом моменте этот способ вообще оказывается неприемлемым.

Регулирование числом пар полюсов.

При данном способе регулирования обмотки статора должны быть секционного выполнения (см. рис. 2.29), что позволяет за счет схемного решения (см. рис. 2.30) изменить ступенчато в 2 раза скорость двигателя. Для расширения диапазона регулирования необходимо в пазы статора укладывать независимые обмотки с различным числом пар полюсов. Как правило, их делают с двумя обмотками, имеющими соотношение чисел пар полюсов от 3 :1 до 12:1. Такие двигатели обладают увеличенными габаритами и массой.

Регулирование частотой источника питания.

Указанный способ требует наличия преобразователя частоты, который может формировать момент двигателя при заданной скорости в соответствии с механической характеристикой рабочей машины (см. рис. 2.31). Изменением частоты источника питания можно регулировать скорость выше основной в 1,5…2 раза (обусловлено механической прочностью обмотки ротора) и 10… 15 раз ниже основной, что обеспечивает регулирование скорости в диапазоне 20…30.

Краткий анализ возможностей различных способов регулирования скорости асинхронного двигателя показывает, что разомкнутая система управления не может в полной мере обеспечить выполнение технологических требований рабочей машины. В целях повышения диапазона регулирования и обеспечения требуемой жесткости механических характеристик в схему управления вводят различные обратные связи.

Сравнительные технические данные для систем электроприводов ТРИ — АД, ТРС — АД и ПЧ — АД приведены в таблице 2.6.

Из приведенных данных можно сделать вывод, что замкнутые системы обладают большим диапазоном регулирования и наибольшим диапазоном регулирования обладает система ПЧ — АД,.

которую широко применяют в регулируемых асинхронных приводах.

Система преобразователь частоты — асинхронный двигатель. Частотный способ отличает от других способов одно весьма важное свойство: при регулировании скорости АД не происходит увеличения его скольжения, поэтому потери скольжения небольшие, отсюда высокая экономичность этого способа. Одновременным изменением частоты и напряжения ПЧ, питающих АД, можно получить практически любые механические характеристики, соответствующие особенностям исполнительного механизма с высокими динамическими и статическими показателями.

Основной фактор, определяющий структуру преобразователя, — способ регулирования напряжения. По этому признаку все ПЧ можно разделить на два класса: непосредственные преобразователи частоты (НПЧ), двухзвенные преобразователи частоты (ДПЧ) со звеном постоянного тока. На рисунке 2.66 приведены схемы системы ПЧ — АД с НПЧ и ДПЧ.

В НПЧ (см. рис. 2.66, а) преобразование переменного тока происходит непосредственно (в одну ступень), а в ДПЧ (см. рис. 2.66, 6) — с промежуточным преобразованием. В ДПЧ выпрямитель В и автономный инвертор ЛЯ связаны между собой фильтром.

Выбор типа ПЧ зависит от области применения электропривода, его делают на основании анализа совокупности требований, предъявляемых к электроприводу.

Применение НПЧ ограничено верхней границей частот, не превышающей половины частоты сети. Основной недоста;

Рис. 2.66. Схемы системы ПЧ — АД с НПЧ (а) и ДПЧ (б):

НПЧ — непосредственный преобразователь частоты; /_с, U_c — частота и напряжение сети; /I, U — частота и напряжение на выходе НПЧ; Я — выпрямитель; АИ— автономный инвертор

Рис. 2.67. ПЧ по схеме неуправляемый выпрямитель — автономный инвертор:

НУВ — неуправляемый диодный силовой выпрямитель; ЛИ — автономный инвертор; U_tf — напряжение и частота источника питания преобразователя; U₂, f₂ — напряжение и частота на выходе преобразователя ток —большое число вентилей и сложная система управления. Привод на основе двухзвенных преобразователей частоты универсальней, поэтому получил наибольшее распространение. В тех случаях, когда требуется ограниченный диапазон регулирования скорости, применяют ПЧ, выполненные по схеме управляемый выпрямитель — автономный инвертор с замкнутой или разомкнутой системой управления.

Полный аналог электропривода постоянного тока — электропривод с ПЧ, выполненный по схеме неуправляемый выпрямитель — автономный инвертор (рис. 2.67).

С помощью автономного инвертора в преобразователях данного типа осуществляют регулирование как амплитуды, так и частоты выходного напряжения методом широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Электропривод на базе этого ПЧ имеет достоинства: хорошие регулировочные свойства, хорошая форма выходного напряжения, большой диапазон регулирования (/)= 10 000), высокий коэффициент мощности. Преобразователь частоты с АМН ШИМ содержит неуправляемый диодный силовой выпрямитель НУВ, АМН ШИМ, систему автоматического регулирования САР и систему управления импульсами СУИ ШИМ (рис. 2.68).

Рис. 2.68. Схема преобразователя частоты с ЛИН ШИМ:

НУВ — неуправляемый диодный силовой выпрямитель; ЛИН ШИМ — автономный инвертор напряжения с широтно-импульсной модуляцией; СУИ ШИМ — система управления импульсами при широтно-импульсной модуляции; САР—система автоматического регулирования; L_d и C_d — индуктивность и емкость фильтра;/*, U* — частота и напряжение на выходе CAP; W—

входная величина Регулирование частоты f и выходного напряжения U происходит в АМН путем использования алгоритмов высокочастотного III ИМ- у п ра вл е н и я. Частота IIIИМ обычно составляет от 2 до 12 кГц, то есть во много раз превосходит выходную частоту АИН.

Форма кривой выходного тока после? С-фильтра, то есть тока АД, практически синусоидальная.

Развитие частотного электропривода с асинхронными короткозамкнутыми двигателями достигло высокого уровня. Благодаря малому моменту инерции асинхронного двигателя частотный привод позволяет достигнуть более высоких динамических показателей при больших мощностях, чем привод постоянного тока. Влияние преобразователей частоты на питающую сеть благоприятнее по сравнению с управляемыми выпрямителями постоянного тока.

Систему управления электроприводом реализуют, как правило, на основе микропроцессорного контроллера (рис. 2.69).

На рисунке 2.69 к силовой части относят:

В — неуправляемый силовой выпрямитель сетевого напряжения. При напряжении сети 380 В максимальное выпрямленное напряжение равно 514 В.

ФС — фильтр силовой, сглаживающий пульсации напряжения в звене постоянного тока, обусловленные пульсациями напряжения выпрямителя и входного тока инвертора, представляет собой LC-фильтр, состоящий из дросселей и набора конденсаторов.

В звено постоянного тока включен датчик напряжения U, подключенный параллельно конденсатору силового фильтра, которым измеряют напряжение на выходе звена постоянного тока. Сигнал датчика напряжения используют в системе защиты электропривода от недопустимых отклонений сетевого напряжения, а.

Рис. 2.69. Система управления асинхронным электроприводом с микропроцессорным.

контроллером также для стабилизации выходного напряжения ЛИН при колебаниях сетевого напряжения.

ЛИН— трехфазный мостовой автономный инвертор напряжения с широтно-импульсной модуляцией. Предназначен для преобразования постоянного (выпрямленного) напряжения в переменное требуемой частоты и амплитуды.

Преобразование постоянного напряжения в трехфазное переменное осуществляет мостовой транзисторный инвертор напряжения, собранный на модулях из IGBT-транзисторов с шунтирующими обратными диодами. IGBT-транзисторы наилучшим образом удовлетворяют требованиям к ключевым элементам ЛИН с широтно-импульсной модуляцией.

Датчиками тока / в выходных цепях ЛИН измеряют фазные выходные токи инвертора, которые характеризуют мгновенные значения токов транзисторов. Сигналы датчиков тока используют в схеме защиты электропривода от токов перегрузки и короткого замыкания в цепи нагрузки. Кроме того, сигналы датчиков тока применяют для определения потребляемой электроприводом полной и активной мощностей.

АД — приводной асинхронный электродвигатель.

Система управления электроприводом включает в себя:

ИП —источники питания устройств управления, регулирования и защиты;

МСУ — микропроцессорный контроллер с устройствами сопряжения, осуществляющий формирование управляющих сигналов ЛИН по закону ШИМ, а также управление тиристорами выпрямителя в функции входных сигналов управления и сигналов датчиков;

ФИ— формирователь импульсов управления транзисторами ЛИН, осуществляющий усиление сигналов и потенциальное разделение системы управления с силовой частью;

УЗ — устройство защиты, обеспечивающее выключение транзисторов ЛИН и отключение преобразователя при токах недопустимой перегрузки и короткого замыкания, недопустимого перенапряжения в звене постоянного тока, а также в случае появления сигналов нарушения технологического режима.

Нашли достаточное распространение асинхронные электроприводы с векторным управлением, представляющие собой точные и динамичные приводы. Под термином «векторное управление» подразумевают в общем случае управление с помощью заданной амплитуды, частоты и фазы трехфазной системы питающего напряжения, что на векторной диаграмме может быть представлено как формирование управляющего вектора напряжений статора. Наиболее простые зависимости в системе векторного управления имеют место в случае выбора вектора потокосцепления ротора в качестве опорного, так как при этом в выражении момента нет неизмеримых переменных. Такая система векторного управления в учебной литературе известна под названием «трансвектор».

Законы частотного управления. Как уже отмечалось, основоположник частотного регулирования асинхронных электродвигателей академик М. П. Костенко установил соотношение между напряжением U_{, частотой тока / источника питания и видом механической характеристики рабочей машины Л/_с=у ((о) при следующих допущениях: падение напряжения в активных сопротивлениях статора пренебрежимо мало; магнитная цепь машины не насыщена; индуктивность обмоток двигателя постоянна. В основу закона Костенко положено сохранение постоянства коэффициента перегрузочной способности Х при регулировании напряжения и частоты, то есть соблюдение условия:

где M_Ki — критический момент асинхронного двигателя при /-й частоте тока /_и- Л/_с(со,) — статический момент рабочей машины при скорости со, соответствующей частоте /ц.

Для многих механизмов зависимость статического момента нагрузки от угловой скорости может быть представлена в виде степенной функции:

где М₀ — момент холостого хода, Н • м; М_{с н} — момент нагрузки при номинальной (паспортной) скорости со" рабочей машины; .

Разделив члены уравнения (2.79) на Л/_сн, получим механическую характеристику рабочей машины в относительных единицах, подставив которое в уравнение (2.78) после преобразований получим уравнение, выражающее закон частотного регулирования Костенко,.

Полученное уравнение (2.80) можно несколько упростить, если.

о

положить, что Мо «1, а скорость асинхронного двигателя на линейной части механической характеристики отличается незначительно от синхронной скорости со|, и тогда в относительных единицах имеем.

Таким образом, из закона частотного регулирования Костенко следует, что оптимальный характер изменения напряжения при регулировании скорости изменением частоты зависит от вида механической характеристики рабочей машины. Диапазон регулирования скорости вращения ротора ограничен значениями сверху и снизу. Верхняя граница определяется насыщением магнитопровода машины. Поэтому практическое применение закона ограничивается нагрузками, не слишком превышающими номинальный момент двигателя. Нижняя граница диапазона регулирования обусловлена тем, что при малых частотах напряжения U начинает проявляться влияние активного сопротивления статора /?1. Как правило, для частот менее 25 Гц принятое допущение о равенстве нулю статорного сопротивления R_{ неверно. Критический момент двигателя существенно снижается, что не позволяет преодолеть момент статического сопротивления на валу.

В зависимости от вида механической характеристики рабочей машины можно получить уравнения, вытекающие из основного закона частотного регулирования Костенко (2.81).

1. При постоянном моменте нагрузки Л/_с = const получаем.

Этот закон еще называют номинальным. Напряжение на статоре изменяется пропорционально частоте источника питания. Распространенный довольно часто при регулировании ниже основной частоты закон U/f = const может быть использован для двигателей средней и большой мощности в пределах изменения частоты (0,5…1,5)/i". При этом = (0,8…1,1)Хн, где — перегрузочная способность двигателя при f_H и ?/_1н. Для двигателей малой мощности этот закон применим в диапазоне частот (0,7…1,3)/_1н при тех же условиях по перегрузочной способности.

2. При вентиляторной нагрузке соотношение (2.81) имеет вид:

3. При нагрузке, обратно пропорциональной скорости, получаем.

Закон постоянного полного потока. Существенный недостаток номинального закона управления напряжением заключается в уменьшении потока с понижением частоты из-за падения напряжения в первичных активных сопротивлениях статора. Для исРис. 2.70. Эквивалентная Т-образная схема замещения фазы АД:

R] — активное сопротивление обмотки фазы • •.

статора; Xi, Xi — индуктивные сопротивления обмотки фазы статора и ротора в относительных единицах; f — частота фазы в относительных единицах; /^—сопротивление ротора, приведенное к обмотке статора; s— скольжение двигателя ключения влияния этих сопротивлений на поток двигателя было предложено регулировать напряжение на выводах двигателя таким образом, чтобы падение напряжения в первичных активных сопротивлениях точно компенсировалось.

Влияние активного сопротивления R на поток двигателя будет компенсировано, если регулировать пропорционально частоте f внутреннее напряжение U эквивалентной Т-образной схемы замещения АД (рис. 2.70).

При регулировании напряжения по закону //^-компенсации сохраняет постоянное значение полный поток двигателя при всех частотах.

где Ф1 — вектор полного магнитного потока; Ф — вектор рабочего магнитного.

—".

потока в воздушном зазоре; Ф1_С —вектор магнитного потока рассеяния статора.

Основное достоинство режима постоянного полного потока: при всех частотах сохраняются такие же условия работы двигателя, как при номинальной частоте. Крутизна механических характеристик остается неизменной для всех частот при любом постоянном значении момента (рис. 2.71). Характеристики приведены для электродвигателя 4А80В6УЗ.

Недостаток: при обеспечении постоянства полного потока на всех частотах не устраняется снижение рабочего потока Ф с увеличением нагрузки из-за падения напряжения в индуктивных сопротивлениях, учитывающих потоки рассеяния статора.

Следует еще раз отметить, что максимальный момент не зависит от изменений частоты. Крутизна механических характеристик остается неизменной для всех частот.

Рис. 2.71. Механические характеристики АД в режиме постоянного полного потока

Рис. 2.72. Механические характеристики АД в режиме постоянного рабочего потока

Режим постоянного рабочего потока. Этот режим может быть получен компенсацией падения напряжения в полных первичных сопротивлениях схемы замещения (см. рис. 2.70) соответствующим повышением напряжения на зажимах двигателя в функции частоты и нагрузки. Иными словами, необходимо регулировать пропорционально частоте внутреннее напряжение «намагничивающей» ветви схемы замещения:

где Z — полное первичное сопротивление схемы замещения.

Механические характеристики электродвигателя 4А80В6УЗ для режима постоянного рабочего потока при частотах /_ь равных 50, 40 и 30 Гц, приведены на рисунке 2.72.

Как видно из построенных механических характеристик, критическая скорость смещается в область больших скольжений по сравнению с регулированием по закону IR-компенсации. Момент двигателя возрастает примерно в полтора раза в сравнении с законом IR-компенсации, оставаясь постоянным при любой частоте питающего напряжения.

Преимущество данного метода — повышение момента двигателя. Максимальный момент по отношению к режиму постоянного полного потока и номинальному закону увеличивается почти в два раза.

Недостаток—-ограниченный диапазон регулирования сверху из-за значительного превышения статорного напряжения U над номинальным (J_H, особенно при больших скольжениях. Практическое применение ограничено допустимым повышением подводимого к двигателю напряжения.

Режим постоянного абсолютного скольжения. При регулировании напряжения по основному закону Костенко абсолютное скольжение остается почти неизменным. Значит, если регулировать напряжение так, чтобы абсолютное скольжение оставалось постоянным на всех частотах, то режим работы двигателя будет близок к режиму регулирования по основному закону. Измерение абсолютного скольжения проще, чем измерение момента, поэтому этот метод представляет интерес. Требование постоянства абсолютного скольжения обеспечивают поддержанием на постоянном уровне частоты тока ротора f2:

Это означает, что при увеличении (уменьшении) частоты тока статора/ необходимо пропорционально уменьшать (увеличивать) скольжение двигателя $, что обеспечивает регулирование по постоянному абсолютному скольжению.

Значение синхронной угловой скорости cot зависит от f и равняется константе при рассмотрении одной фиксированной частоты питающего напряжения. Скольжение s в этом случае также постоянно, что обеспечивает постоянство статической угловой скорости сос вала двигателя. Другими словами, скорость асинхронного двигателя при регулировании по постоянному абсолютному скольжению не зависит от момента нагрузки на валу.

Механические характеристики напоминают характеристики синхронного двигателя. Формирование подобных синхронных характеристик показано на рисунке 2.73. При номинальных условиях М— Л/_н, U = U_H, f =/i", coi = C0|_H, co_c = (*)" двигатель работает в точке 1 на естественной механической характеристике. Если уменьшить момент нагрузки до Л/_с1, то напряжение, подводимое к статору U_x (зависящее от момента), также изменится, что повлечет переход рабочей точки / с естественной механической характери-

Рис. 2.73. Механические характеристики АД в режиме постоянного абсолютного скольжения:

ЕМХ— естественная механическая характеристика АД; ИМХ1, ИМХ2 — искусственные механические характеристики АД; МХ1 — механические характеристики АД в режиме постоянного абсолютного скольжения при номинальной частоте источника питания; МХ2, МХЗ — механические характеристики АД в режиме постоянного абсолютного скольжения при изменении частоты соответственно вверх и вниз от номинальной стики в точку 2 на искусственную механическую характеристику, обозначенную на рисунке 2.73 как ИМХ1. При этом угловая скорость со_с не изменит свое значение. Аналогично можно рассмотреть переход из текущего положения рабочей точки в любую другую при увеличении нагрузки. Геометрическое место всех рабочих точек, как следует из графика, образуют прямую, обозначенную на рисунке 2.73 как MXL Механические характеристики МХ2 и МХЗ получены путем изменения частоты вверх и вниз от номинальной соответственно.

Существует ограничение на диапазон изменения нагрузок асинхронного двигателя при регулировании по постоянному абсолютному скольжению. Так, увеличение момента нагрузки вверх от номинального требует увеличения напряжения на клеммах двигателя, что возможно лишь до определенного значения из-за опасности возникновения недопустимых тепловых режимов работы. Работа же двигателя на идеальном холостом ходу невозможна, так как для этого потребуется вывод двигателя на синхронную скорость, что нельзя сделать, так как двигатель асинхронный.

В заключение следует заметить, что краткие технические данные по различным способам регулирования электроприводов и областям применения можно получить из таблицы 2.7.