ЭЛЕКТРОПРИВОДА МЕТАЛЛОРЕЖУЩИХ СТАНКОВ

АСИНХРОННЫЕ ЭЛЕКТРОПРИВОДЫ С ЧАСТОТНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ

Серийные станочные регулируемые асинхронные электропри­воды являются преобразователями частоты с промежуточным зве­ном постоянного тока. Указанные электроприводы содержат на входе понижающий сетевой трансформатор и автоматический вы­ключатель, обычно устанавливаемый на первичной стороне транс­форматора. Автоматический выключатель служит для защиты от коротких замыканий и подключения электропривода к сети. Функцию защиты от коротких замыканий в некоторых электро­приводах выполняют быстродействующие плавкие предохранители, а функцию нулевой защиты электропривода — контактор на вхо­де преобразователя.

Частота вращения вспомогательного (холостого хода) асин­хронного двигателя прямо пропорциональна частоте его питания. и

Частота может регулироваться вверх или вниз от номинального Значения, например 50 Гц. При подаче на нагруженный двига­тель номинальных частоты fтом и напряжения UHOм его обмот­

ках статора протекает номинальный ток. Этому соответствует Номинальная величина индуктивного сопротивления обмоток й^ном = 2nf1H0Kb. По Мере снижения частоты одновременно умень­шается Xl. Если оставить напряжение на номинальном значении, Например 220 В, то по закону Ома начнет расти ток через обмот­ку статора, что может привести к ее перегоранию. Поэтому с уменьшением fi надо уменьшать напряжение на статоре U (рис. 70,а). Уменьшение напряжения U =

Если пренебречь падением напряжения на активном сопротив­лении статора, то напряжение питания двигателя U можно счи­тать равным ЭДС намагничивания двигателя Е, которая пропор­циональна потоку Ф двигателя, числу витков обмотки и частоте напряжения на статоре. Так, при снижении напряжения пропор­ционально частоте величина потока остается близкой к номи­нальной. Момент двигателя пропорционален произведению тока на поток. Как известно, регулирование частоты вращения элек­трических двигателей вниз от номинального значения может осу­ществляться с постоянным (номинальным) моментом. Это обычно подразумевает работу с номинальным потоком и с постоянным (номинальным) током, т. е. при поддержании неизменным отношения U/fі регулирование производится с постоянными мо­ментом и перегрузочной способностью. Требуемые зависимости напряжения от частоты при регулировании частоты вращения на­зывают законами регулирования. С увеличением диапазона регу­лирования частоты'вращения вниз от номинальной пренебрежение падением напряжения на сопротивлении статора приводит к все большему снижению критического момента по сравнению с номинадьным. Существенная разница появляется уже при диапазоне регулирования около 1 : 3. Существуют различные способы ком­пенсации падения напряжения на сопротивлении статора.

При компенсации падения напряжения в разомкнутой системе регулирования имеется следующее ограничение. При возрастании нагрузки от нагрузки холостого хода До номинальной увеличива­ется падение напряжения на сопротивлении статора, пропорцио­нальное току. Поэтому при постоянном напряжении питания ЭДС намагничивания и соответственно поток на холостом ходу стано­вятся больше. При существенной компенсации падения напря­жения на низких частотах происходит повышение потока холо­стого хода и увеличение тока намагничивания. Последнее при-, водит к значительным потерям и перегреву двигателя.

Избежать указанного недостатка удается в замкнутых систе­мах регулирования с обратными связями по параметрам", реаги­рующим на изменение нагрузки. Электроприводы с небольшим диапазоном регулирования частоты вращения содержат положи­тельную обратную связь по току двигателя, воздействующую на канал регулирования напряжения. При увеличении нагрузки воз­растает ток двигателя, в результате становятся больше сигнал управления (Uy — Us + Uoc, где U0c = KocI) и напряжение питания двигателя. Указанное увеличение напряжения питания двигателя компенсирует падение напряжения на сопротивлении статора. Данная система регулирования обеспечивает сохранение критиче­ского момента двигателя на уровне номинального критического. Одновременно привод обычно содержит отрицательную обратную связь по напряжению выпрямителя, которая стабилизирует на­пряжение на входе инвертора при колебании напряжения сети и компенсирует падение напряжения во внутреннем сопротивлении преобразователя частоты.

Развитием описанной выше системы регулирования является САР с, так называемой обратной связью по ЭДС. В данном слу­чае из сигнала, пропорционального напряжению двигателя, вы­читается сигнал, пропорциональный произведению тока на актив­ное сопротивление статора, т. е. вычитаемое представляет собой падение напряжения на указанном сопротивлении. Результирую­щий сигнал отрицательной обратной связи пропорционален внут­ренней ЭДС двигателя, он сравнивается с задающим сигналом, пропорциональным частоте. САР поддерживает постоянство отно­шения упомянутой ЭДС к частоте.

В технических требованиях к электроприводам оговаривается допустимое относительное отклонение частоты вращения (отно­шение абсолютного падения Ап к частоте вращения холостого хода пс). В описанной выше системе регулирования поддержива­ется постоянным абсолютное отклонение (падение) частоты вра­щения, а относительное падение частоты вращения увеличивается по мере снижения заданной частоты вращения и может превысить допустимую величину. Дальнейшее уменьшение относительного •отклонения частоты вращения достигается в САР с воздействием на канал регулирования — частоту питания. Так, в системе с обратной связью по току при увеличении нагрузки возрастает управляющий сигнал по каналу частоты, повышается частота пи­тания двигателя (двигатель переходит на более «высокую» меха­ническую характеристику). Поэтому при том же моменте нагрузки повышается частота вращения и снижается ее отклонение относи­тельно точки холостого хода.

В асинхронных электроприводах с более широким диапазоном регулирования применяется обратная связь по частоте вращения. Указанная обратная связь требует установки на двигателе тахо­генератора или какого-либо другого типа датчика. Отрицательная обратная связь по частоте вращения может воздействовать на канал частоты и напряжения. При увеличении нагрузки перво­начально падает частота вращения, увеличивается напряжение управления. Воздействие на канал напряжения преобразователя обеспечивает поддержание постоянной перегрузочной способности (и косвенно величины потока). Воздействие на канал частоты инвертора обеспечивает уменьшение нестабильности (отклонения) частоты вращения благодаря повышению частоты питания дви­гателя.

Качественную работу электроприводов с более широким диа­пазоном регулирования обеспечивают системы частотно-токового управления. В этих системах за счет обратной связи по току уп­равляемый выпрямитель (или инвертор с ШИР или ШИМ) ста­новится регулятором тока, двигателю задается не напряжение, а ток. Преимущество систем частотно-токового управления состоит в том, что выходной параметр регулятора (ток статора) не зави­сит от частоты питания двигателя, системе легче реагировать на изменение нагрузки, так как момент пропорционален абсолютному скольжению, р = [пс—п)/«сном, которое измерить проще. Такая си­стема работает следующим образом.

В результате вычитания сигнала обратной связи по частоте вращения из задающего сигнала определяется напряжение, про­порциональное абсолютному скольжению. Сигнал абсолютного Скольжения поступает на функциональный преобразователь, ко­торый задает величину тока по одному из законов, обеспечиваю­щих или минимальный ток, или минимальные потери двигателя. Выходной сигнал функционального преобразователя после срав­нения с сигналом обратной связи по току управляет выпрямителем. Частота питания двигателя задается в виде алгебраической сум­мы частоты тока ротора и частоты вращения. Далее частоту тока ротора будем называть частотой ротора. САР по частотно-токо­вому принципу применяется, как правило, в тиристорных элек­троприводах с инвертором тока.

В приводах подачи некоторых станков с ЧПУ используют высокодинамич­ные асинхронные электроприводы с векторным управлением. Их появление свя­зано с тем, что традиционные системы частотного регулирования перестали удовлетворять повышенным требованиям к качеству работы электроприводов и расширенному диапазону регулирования частоты вращения.

Необходимо остановиться на новом методе построения САР частотных электроприводов, получившем название векторного. Сущность метода заключает­ся в том, чтобы систему регулирования двигателя переменного тока сделать по­хожей на систему регулирования двигателя постоянного тока, у которого опре­деляющими величинами ЯВЛЯЮТСЯ ТОК в цепи якоря /я и ток в цепи обмотки возбуждения 1 в. В системе регулирования привода формируются сигналы: Iq, пропорциональный моменту двигателя (а это аналог 1Я) ■ и Id, задающий вели­чину магнитного потока двигателя (который является аналогом /в).

Почему появилась необходимость в разработке векторной САР? Дело в том, что в отличие от двигателей постоянного тока напряжение и ток двигателей пе­ременного тока изменяются по синусоидальной кривой. Поэтому даже при по­стоянной действующей величине напряжения или тока их мгновенные значения меняются. При построении САР иметь дело с синусоидально изменяющимися переменными очень трудно. Поэтому в обычных частотных системах регулиро­вались только действующие величины переменных и это не позволяло созда­вать быстродействующие асинхронные электроприводы.

Зависимости, характеризующие реальный трехфазный двигатель, преобра­зуются к условному двухфазному двигателю. Фазы этого двигателя расположе­ны под углом 90° друг относительно друга. Токи и напряжения этих двух фаз принимаются за проекции обобщенных параметров статора или ротора двига­теля. Эти обобщенные напряжения и токи, построенные в прямоугольной сис­теме координат, оси которой расположены (ориентированы) вдоль двух фаз статора двигателя, называются векторами. Теперь после преобразования к двух­фазному двигателю токи и напряжения в векторной форме имеют такой же характер изменения, как у двигателей постоянного тока. Данная система коор­динат является неподвижной. Для построения САР удобно иметь дело с векто­рами, преобразованными из неподвижной системы координат в подвижную. Одну ось координат, называемую действительной, обозначают d, другую, на­зываемую мнимой, обозначают q (рис. 70,6). Ось d располагают, как правило, вдоль вектора потока ротора. В этом случае оказывается, что поток двигателя можно поддерживать постоянным за счет регулирования проекции тока на ось d. Так как момент двигателя пропорционален произведению потока на ток, то при условии постоянства потока момент пропорционален проекции тока на ось q, т. е. для стабилизации момента можно регулировать составляющую /8. Теперь после двух преобразований САР можно строить по аналогии с система­ми электроприводов постоянного тока.

САР с векторным управлением дают возможность управлять мгновенными значениями напряжений, токов и потока двигателя. Пример такой САР с час­тотно-токовым управлением будет описан при рассмотрении электропривода типа Размер 2М-5-2.

Регулирование частоты вращения асинхронного двигателя, так же как для двигателя постоянного тока, выполняется двухзонным. До этого шла речь о регулировании частоты вращения вниз от номинальной с постоянным моментом. Во второй зоце происходит регулирование частоты вращения вверх от номиналь­ной. Для регулирования в режима постоянной мощности с постоянной перегру­зочной способностью теоретически требуется одновременно с увеличением частоты

изменять напряжение на статоре по зависимости UIUH0H = y fjfiaou • Однако для ряда приводов с диапазоном регулирования вверх 2:1 принято U— const. При этом режим постоянства мощности обеспечивается некоторым снижением величины перегрузочной способности относительно номинальной. Ограничение максимального напряжения питания двигателя позволяет выбрать элементы пре­образователя на более низкое напряжение и получить лучшие массогабаритные показатели.

Электроприводы с частотным регулированием имеют более благоприятные переходные процессы (пуск, торможение и реверс) по сравнению с нерегулируе­мыми асинхронными электроприводами. Как известно, пусковой момент паспорт­ной механической характеристики двигателя меньше критического. Пусковой ток превышает номинальный в 5—8 раз, а ток, соответствующий критическому мо­менту, в 3—3,5 раза. В частотно-регулируемых электроприводах обеспечивается частотный пуск, который заключается в следующем. Электропривод включается на заданную частоту не сразу, а предварительно на частоту 1—5 Гц. Началь­ная частота выбирается таким образом, что точка критического момента соответ­ствует нулевой частоте вращения, т. е. момент при пуске равен критическому. Далее частота питания плавно нарастает до заданного значения с таким темпом, чтобы двигатель разгонялся по линии критических моментов. Соответственно увеличивается напряжение. Так как двигатель все время пуска работает с кри­тическим моментом, то сокращается время пуска и пуск происходит с меньшим током, в результате чего сокращаются потери. двигателя за время пуска. Пре­образователь частоты обеспечивает также бесконтактный реверс. Не требуется переключения в силовой схеме контакторов, а изменяется порядок переключения силовых управляемых ключей благодаря соответствующему изменению работы системы управления инвертором.

Ряд электроприводов обеспечивает частотное рекуперативное торможение, во время которого энергия торможения двигателя передается в сеть. Другие типы электроприводов не имеют возврата (рекуперации) энергии торможения, но также обеспечивают эффективное торможение. При торможении одновре­менно с частотой плавно понижается напряжение.

Рассмотрим последний случай. Во время снижения частоты как при регули­ровании вниз, так и при торможении, в конденсатор фильтра через вентили об­ратного моста поступает энергия, отдаваемая двигателем. В результате повы­шается напряжение на конденсаторе фильтра, что опасно для элементов инвер­тора. Аналогичные процессы происходят при сбросе (уменьшении) нагрузки двигателя или отключении инвертора в результате действия защиты. Для пред­отвращения недопустимого повышения напряжения путем разряда энергии кон­денсатора служит цепочка из балластного резистора и транзисторного (или тири­сторного) ключа, включаемого при повышении напряжения на конденсаторе сверх допустимой величины. Требуемый темп частотного пуска или торможения может регулироваться за счет обратных связей или определяться задатчиком интенсивности.

Кривая выходного напряжения ряда преобразователей имеет прямоугольно­ступенчатую форму, а асинхронные двигатели предназначены для питания синусоидальным напряжением. Питание двигателя прямоугольно-ступенчатым напряжением вызывает дополнительные потери и неравномерность вращения. Дополнительные потери двигателя и неравномерность вращения зависят от типа преобразователя частоты. Инверторы с формированием выходного напряжения по способу однократной коммутации вызывают заметные дополнительные поте­ри, а на низких частотах — неравномерность вращения. Дополнительные потери вызывают ограничение допустимого по нагреву момента двигателя. Из-за существенной неравномерности вращения данный тип электропривода не приме­няют в станочных приводах при диапазонах регулирования частоты вращения вниз от номинальной больше 1 : (5-НІ0). Благоприятную форму выходного на­пряжения имеют инверторы с синусоидальной ШИМ. При соответствующем вы­боре несущей частоты ограничиваются дополнительные потери в двигателе и не­равномерность его вращения.

Асинхронный короткозамкнутый двигатель имеет склонность к. колебаниям частоты вращения на средних частотах. При питании двигателя от преобразова­теля частоты в разомкнутых системах электропривода это явление усиливается. Значительное влияние на величину колебаний двигателя имеют параметры сило­вого фильтра на выходе выпрямителя. Для подавления колебаний в электропри­водах применяются обратные связи.

Для механизмов прерывистого перемещения может быть использован шаго­вый режим асинхронного двигателя. Этот режим осуществляется при питании двигателя от инвертора, работающего на низкой частоте. Как известно, асин­хронный двигатель на частотах ниже 5 Гц входит в шаговый режим из-за пря­моугольно-ступенчатой формы тока. Преобразователь частоты состоит из вы­прямителя и инвертора тока. Путем разного включения силовых ключей инвер­тора осуществляются' различные комбинации подключения фаз двигателя к промежуточному звену постоянного тока. При этом получаются разнообразные углы поворота двигателя. Для обеспечения требуемого угла поворота выби­рается двигатель с определенным числом пар полюсов.

Описанные выше вопросы характерны для всех электроприводов с частот­ным управлением, устанавливаемых на металлообрабатывающих станках. Рас­смотрим работу серийных асинхронных электроприводов, предназначенных для трехфазной сети напряжением 380 В и частотой 50 Гц.