ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМЫИ АСИНХРОННЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД

ЧАСТОТНОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ СКОРОСТИ АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Наиболее рациональным способом плавного регулирования угловой скорости является частотный способ, возможность которого базируется на линейной зависимости угловой скорости магнитного поля статора от частоты напряжения питания; си0 2к//р„.

По этому принцип}' возможно осуществление широко регулируемых электроприводов с жесткими механическими характеристиками. Важным преимуществом частотного привода являются благоприятные энергетические показатели. Это объясняется тем, что двигатель работает при малых скольжениях, что обусловливает малые потери и высокий КПД во всем диапазоне регулирования скорости. Однако при изменении частоты возникает необходимость одновременного регулирования напряжения, подводимого к статору. Действительно, ЭДС обмотки статора АД определяется как

Е,=сФU

Если пренебречь падением напряжения в статорной обмотке, ПОЛОЖИВ U~E], TO U 1~сФ/!, т. е. при неизменном напряжении и регулировании его частоты изменяется магнитный поток машины. В частности, уменьшение J) вызовет увеличение потока, что приведет к насыщению магнитопровода двигателя и вызовет резкое возрастание намагничивающего тока, и недопустимый нагрев как стали, так и обмоток статора.

С другой стороны, увеличение// приводит к уменьшению потока, что при постоянстве момента сопротивления вызывает увеличение тока в роторе, т. е. перегрев ротора при недоиспользовании стали. Таким образом, для наилучшего
использования двигателя необходимо регулировать напряжение одновременно в функции частоты, а иногда и в функции момента сопротивления.

Для того чтобы реализовать принцип частотного управления, необходимо взаимосвязанно управлять напряжением (током) в статоре асинхронной машины при изменении частоты питания. Поэтому в разомкнутых системах ПЧ - АД не удается достичь большого диапазона регулирования скорости, так как в сильной степени проявляется етатизм (влияние изменений момента нагрузки) на механические характеристики привода. Кроме того, при снижении скорости может возникать область статической неустойчивости, которая затрудняет практическое использование таких приводов.

Существует несколько алгоритмов одновременного изменения частоты и напряжения статора в статическом режиме. Чаще всего стремятся сохранить постоянной перегрузочную способность двигателя, т. е. сделать так, чтобы при всех режимах отношение максимального момента к моменту сил сопротивления оставалось постоянным:

Таким образом, напряжение необходимо регулировать не только в функции частоты, но и в функции нагрузки. Критический момент трехфазного АД:

где со0 - синхронная скорость; R/ - активное фазное сопротивление обмогки статора; хк=хі+х'2 - индуктивное фазное сопротивление к. з.

Пренебрегая величиной Ri по сравнению с х* и учитывая, что Х}:^2тс[іЬІГ, можно получить

Следовательно, критический момент прямо пропорционален квадрату напряжения и обратно пропорционален квадрату частоты, поэтому

Таким образом, для сохранения постоянной перегрузочной способности необходимо изменять напряжение пропорционально частоте и корню квадратному от момента нагрузки. Этот общий принцип регулирования может быть уточнен для конкретных режимов работы механизма:

а) При моменте нагрузки, не зависящем от скорости,

Мс=const, и по выражению (*) следует, что напряжение надо изменять пропорционально частоте

U

= const

Такой способ с точностью до принятого допущения R /'= О обеспечивает постоянную перегрузочную способность двигателя на малой скорости. Поскольку справедливо предположение, что Uj-Ei, такой способ регулирования соответствует 0=const. Фактически же, при увеличении нагрузки, ЭДС при постоянном напряжении на статоре уменьшается, что сопровождается уменьшением Мк - Критический момент, а следовательно, и перегрузочная способность двигателя возрастает, если использовать способ регулирования с поддержанием O=const во всем диапазоне скоростей и нагрузок.

б) При моменте нагрузки, требующем постоянства мощности на всех скоростях, те. при изменении момента нагрузки обратно пропорционально скорости Мс=Р/со, считая, что скорость двигателя пропорциональна частоте, из (*) следует, что напряжение необходимо изменять пропорционально корню квадратному из частоты

и

= const

в) При вентиляторной характеристике механизма, т. е.

при Мс=СО)2 из (*) следует, что напряжение необходимо изменять пропорционально квадрату частоты

—— = const

Благодаря своей простоте, данные зависимости широко распространены на практике, однако они являются приближенными. При малых частотах и малых напряжениях на двигателе возрастает роль падения напряжения на активном сопротивлении статора. Если снижать напряжение строго пропорционально частоте при Mc=const, то это приведет к уменьшению магнитного потока. Поэтому в частотном приводе напряжение должно снижаться в меньшей степени. Для этого применяют систему IR-компенсации, в которой закон регулирования Uj/f)= const заменен соотношением

|і/, —IlRl I / fі = const

В приводах, в которых производится компенсация падения напряжения на сопротивлении статора, поддерживается постоянное соотношение между частотой и напряжением | U)—

///;/], которое отличается от напряжения сети на величину падения напряжения на активном сопротивлении статора.

Оптимальный закон частотного управления при постоянстве перегрузки является не единственным, используемым на практике. Например, часто реализуются другие законы: постоянства магнитного потока машины, минимума потерв и другие. Частотное регулирование с поддержанием постоянства потока практически тождественно управлению с компенсацией падения напряжения в статорных цепях. При этом асинхронный привод приобретает следующие свойства:

1. Токи статора, ротора и поток (кроме потерь в стали) остаются неизменными.

2. При работе с максимальным потоком двигатель имеет более жесткую рабочую часть механической характеристики и больший критический момент на естественной характеристике.

3. При уменьшении нагрузки поток становится избыточным, что приводит к завышению потерь и нарушению оптимальности этого закона регулирования при переменном моменте нагрузки.

При управлении по минимуму потерв создание необходимого момента, пропорционального произведению тока ротора на поток, осуществляется при равенстве переменных и постоянных потерь, связанных с возбуждением машинві (ее магнитным потоком)- Такое управление обеспечивает минимум потерь и оптимальность КПД привода.

Наглядное представление о перечисленных выше законах частотного регулирования скорости АД дает схема замещения (рис. 1. 6), представленная в относительных единицах на рис. А. На схеме обозначено:

0. со0/(оп относительная частота;

v=co/co„ - относительная скорость ротора:

/]=o.-v = (co0-oj)/coi1 - абсолютное скольжение, значение которого не зависит от о.(со0).

Рассмотрим механические характеристики co-f(M) асинхронного двигателя при различных законах изменения напряжения на зажимах статора при частотном регулировании.

1. Характеристика co=f(M) при законе регулирования скорости Ui/o.=consl (кривая 1 на рис.4). Из схемы видно, что поскольку R] не зависит от о., то по мере снижения частоты доля падения напряжения на активном сопротивлении растет и напряжение за активным сопротивлением Е! а уменьшается. ЭДС двигателя E’ja, которая должна была бы уменьшаться пропорционально а, уменьшается в большей степени, что вызывает снижение жесткости и критического момента по мере уменьшения частоты.

2. Регулирование напряжения с компенсацией падения напряжения в активном сопротивлении обмотки статора. Если напряжение на зажимах двигателя менять таким образом, что EJo.=const, то величина потока не зависит от частоты питающего напряжения, а зависит от тока двигатечя. Механические характеристики при таком способе регулирования скорости будут обладать требуемой перегрузочной способностью и высокой жесткостью во всем диапазоне регулирования скорости. При номинальной частоте характеристика co=f(M) практически совпадает с характеристикой при законе U i/a,=const.

3. Характеристика co=f(M) при Ф=const или E^/a=const (кривая 2). При Ф=const максимальный момент двигателя получается значительно больше, чем максимальный момент, развиваемый двигателем при регулировании по закону EJo.=const.

4. Характеристика co=f(M) при законе поддержания постоянства потокосцепления ротора, который обеспечивается путем изменения напряжения на зажимах статора в функции частоты а и абсолютного скольжения /і, причем эти функции нелинейны. В этом случае механическая характеристика представляет собой прямую, подобную характеристике двигателя постоянного тока с независимым возбуждением (кривая 3 на рис. 4). Данный способ регулирования скорости реализуется в системах векторного управления.