ЧАСТОТНОЕ УПРАВЛЕНИЕ АСИНХРОННЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ

АВТОНОМНОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ ПОТОКА

Уже отмечалось выше, что главное неудобство органи­зации частотного управления асинхронными двигателями обусловлено зависимостью потока от нагрузки сложной взаимосвязью переменных величин двигателя.

Применение замкнутых систем автоматического регули­рования [44] с использованием вычислительных устройств, открыло возможность решения этой задачи. Прототипом таких систем можно считать устройство, предложенное автором 13] для автоматического' поддержания постоян­ным полного потока двигателя посредством компенсации падения напряжения в активных сопротивлениях статора. Это устройство может быть отнесено к комбинированным системам по принципу инвариантности. Устройство автома­тического регулирования выполняется по типу автоматиче­ского регулятора напряже­ния, в узел сравнения кото­рого, вырабатывающий за­кон управления, вводится сигнал, пропорциональный току статора. В результате узел сравнения развивается в простейшее вычислитель­ное устройство.

На рис. 4.7 показана полная структурная схема

системы регулирования. Она имеет две главные цепи регу­лирования—частоты и напряжения. Цепь регулирования ча­стоты может быть замкнутой, функционирующей по откло­нению частоты инвертора от заданной командоаппаратом КЛЧ, и разомкнутой, воздействующей на инвертор че­рез усилитель УЧ. Цепь регулирования напряжения не­сколько сложнее, так как именно она выполняет функцию вычисления. На вход вычислительного устройства ВУ по­ступают три сигнала: частоты £,/ь напряжения на двигате­ле kiUi и тока статора двигателя kzh от соответствующих измерительных устройств: ИЧ, ИН и ИТ. На выходе ВУ должно выдавать сигнал, пропорциональный модулю век­торной разности:

0'=~/,г,|.

Это напряжение сравнивается с напряжением сигнала, пропорционального частоте, в узле сравнения ИУ, и по­лученный сигнал отклонения

b=kifi— kzO—hri

через усилитель УН воздействует на цепь, управляющую амплитудой выходного напряжения преобразователя часто­ты ПЧ. Автоматический регулятор по принципу /г-компен­сации может быть выполнен в разных вариантах и формах.

Примерами более сложных замкнутых систем частот­ного управления могут служить системы фирм «Броун Бо - вери» (Швейцария) 1964 г. и «Сименс» (ФРГ) 1971 г. [3].

В системе фирмы «Броун Бовери» используется преоб­разователь частоты с регулированием напряжения и час­тоты по способу ШИМ при схеме рис. 3.2,6. На рис. 4.8,а показана принципиальная схема управления.

Командный сигнал задается датчиком скорости 1. За­кон управления напряжением в зависимости от частоты и нагрузки заложен в функциональные датчики 4 и 5. По­следние через усилитель-7 и схему умножения 16 осущест­вляют необходимое изменение амплитуды напряжения двигателя. Формирование управляющих напряжений и не­обходимое регулирование частоты в цепи статора осущест­вляются в двух каналах с элементами 8, 9, 12, 14 и 10, И, 13, 15. Прямоугольные колебания мультивибраторов 8 и 10 и синусоидальные колебания генераторов 9 и 11 преобра­зуются в вибропреобразователях 12 и 13 и фильтрах 14 и 15 в свободные от высших гармоник колебания. Частота этих колебаний равна разности частот устройств 8. 10 и 9, 11 и может изменяться за счет частоты мультивибраторов 8 и 10. На выходах схем умножения 17 и 18 получается двухфазная система напряжений, которая преобразуется усилителями 19, 20 и 21 в трехфазную систему. Усилители 22, 23 и 24 питают управляющие устройства 25, 26 и 27 инверторов.

Для малых скоростей, когда регулирование напряжения неточно, используются блок ограничения тока статора, дей­ствующий на систему через выпрямитель 3 и усилитель 6, а также мультипликатор 16. Направление вращения опре­деляется полярностью напряжения усилителя 2. Регулиро­вание напряжения осуществляется в функции частоты ста­тора и момента нагрузки. Задающее напряжение при хо­лостом ходе машины устанавливается таким образом, что­бы поток в воздушном зазоре машины имел оптимальное значение. Настройка на режим постоянного потока осу­ществляется с помощью функционального преобразовате­ля 5, который вычисляет закон регулирования напряжения. Зависящее от нагрузки дополнительное напряжение уста­навливается в функциональном преобразователе 4 в функ­ции абсолютного скольжения и суммируется в усилителе 7 с зависящим от частоты напряжением холостого хода. Ре­гулятор ограничения тока 6 препятствует тому, чтобы при малых скоростях, т. е. в области, где регулирование на­пряжения неточно, ток обмоток превысил допустимую ве­личину. При этом понижается амплитуда напряжения воз­действием регулятора 6 на мультипликатор 16.

Второй вариант схемы автоматического управления по­казан на рис. 4.8,6. Эта схема существенно отличается от предыдущей тем, что регулируется не напряжение, а ток двигателя. Главный управляющий блок 8—21 в этой схеме такой же, как и в предыдущей. Датчик скорости 1 выдает задающее значение абсолютного скольжения двигателя «в —-1.С помощью схемы регулирования скольжения 3

компенсируются ошибки в регулировочной характеристике генератора прямоугольных импульсов. С помощью функ­ционального преобразователя 4 и усилителя 5 задающее 13—164 185 значение тока получается в зависимости от частоты сколы жения и тем самым в зависимости от нагрузки. Как и в предыдущей схеме, возможно ограничение частоты сколы жения, для чего вводится ограничение выходного напряжеї ния регулятора скорости. Регулирование тока имеет пре< имущество в области низких частот по сравнению с регу­лированием напряжения, но при ослабленном потоке необходимо уменьшать задающее значение тока. За­дающее значение напряжения в области номинальной ско­рости остается на постоянном максимальном уровне. На­пряжение на выходе регулятора ограничителя напряже­

ния 2 уменьшает задающее значение намагничивающего тока в области ослабленного потока в зависимости от на­пряжения на статоре. Существенное преимущество автома­тического регулирования тока заключается в том, что ограничивается мгновенное значение тока. В зоне номи­нальной скорости регулятор 2 не работает.

Третий вариант схемы автоматического управления по­казан на рис. 4.8,в. Эта схема отличается тем, что в ней поток регулируется прямым способом. Поток измеряется с помощью датчика Холла или вспомогательной обмотки (см. § 5.3). Регулятор потока 4 выдает задающее значение тока машины. В области ослабленного потока задающее значение потока уменьшается в функции напряжения ста­тора. В зоне номинальной скорости регулятор 3 не рабо­тает— его выходное напряжение ограничивается постоян­ным значением, которое представляет задающее значение потока.

Фирма «Сименс» (ФРГ) разработала систему управле­ния под фирменным названием «Трансвектор», в которой регулирование потока осуществляется независимо (авто­номно) от регулирования скорости в приводе с четырех­квадрантными механическими характеристиками, как у привода постоянного тока [43].

Сущность построения и функционирования системы ос­нована на двухкратном преобразовании координат. Пере­менные величины двигателя из неподвижной относительно статора системы координат в осях а, р преобразуются к осям т, п, вращающимся вместе с магнитным полем машины. В этих осях (в пре­небрежении высшими гар­мониками шумов) магнит­ный поток, токи и напряже­ния имеют «постоянные» значения, т. е. неизменны в стационарном режиме и из - ^ меняются так же, как в ма­шине постоянного тока, в PlIC - 410

переходных режимах. Вместе с тем удается «раз­вязать» поток и токи и создать автономное регулирование потока и угловой скорости или момента.

На рис. 4.9 показана основная схема системы «Транс­вектор». На вход системы поступают от преобразователя частоты следующие величины: токи двух фаз статора Іа и ів от трансформаторов тока; магнитный поток в воздуш­ном зазоре Фд и Фв, измеряемый двумя датчиками Холла, смещенными по дуге статора на 120° (§ 5.3); угловая ско­рость ротора со от тахогенератора.

Эти величины подвергаются преобразованию к осям, вращающимся синхронно с полем, следующими этапами (рис. 4.9, рамка I).

Каждая пара фазных величин трехфазной системы тока и потока преобразуется в двухфазную систему неподвиж­ных же координат а, р соответственно в блоках 2 и 3. Пре­образование осуществляется согласно векторной диаграм­ме рис. 4.10.

Составляющая тока im совпадает по фазе с потоком ротора, а tin — опережает ее на 90°. Поэтому ток im имеет смысл намагничивающего тока, а in — активного тока на­грузки. На рис. 4.11 показана схема блоков 4 (рис. 4.9), осуществляющих преобразование координат. Блок состо­ит из двух функциональных узлов, каждый из которых со­держит по два четырехквадрантных умножителя и одии суммирующий усилитель.

Полученные в результате преобразования координат «постоянные» токи і1п и in, поток ротора Фг, а также сиг­нал угловой скорости со, доставляемый тахогенератором, открывают возможность построения системы автоматиче­ского регулирования потока и угловой скорости двигателя по таким же принципам подчиненного регулирования, ко­торые применяются в приводах постоянного тока. Схема регулирования показана на рис. 4.9 в рамке II. Контур регулирования тока ііт является внутренним относительно контура регулирования потока Фг, а контур регулирования тока іщ является внутренним относительно контура регу­лирования угловой скорости со, т. е. контур регулирования

тока іщ подчинен контуру регулирования скорости. На рис. 4.9 блок 8— регулятор тока t'im; 9 — регулятор тока І In, 10 — регулятор потока, 11—регулятор угловой скоро­сти двигателя.

В процессе регулирования скорости и момента при пе­реходе из двигательного режима в генераторный меняется знак тока iin, а при реверсе меняется знак скорости <о. Ре­гулирование величин im и Ф происходит при неизменном знаке. Поток ротора определяется составляющей тока im, регулирование которой соответствует регулированию тока возбуждения машины постоянного тока и подобно послед­ней может управлять снижением потока в режиме постоян­ной мощности.

Выработанные регуляторами токов воздействия посто­янного тока для управлення преобразователем частоты должны быть подвергнуты обратному преобразованию к реальным величинам в неподвижных осях а, р в качестве воздействий управления, обеспечивающих требуемое на­пряжение инвертора, по амплитуде и частоте.

Это обратное преобразование осуществляется блоками в рамке III рис. 4.9. Блок 7 вычисляет составляющие на-

пряжения статора пока еще в осях т, п. Он моделирует схему асинхронного двигателя и вычисляет напряжение по противо-ЭДС и падения напряжения в активных и ин­дуктивных сопротивлениях, которые задаются коэффициен­тами ka, ke и Таш Для вычисления противо-ЭДС в блок вводятся сигналы потока и угловой скорости ротора. Схе­ма блока показана на рис. 4.12.

Так задается напряжение инвертора, объединяющее разделенные сигналы регулирования потока и угловой ско­рости. Частота же определяется командным сигналом сок, к которому добавляется сигнал абсолютного скольжения, значение которого при заданном потоке однозначно опре­деляется моментом (см. § 1.2) и, следовательно, током ііп, который вводится во внутренний контур регулирования угловой скорости.

Таким образом, трансвектор содержит управляющую вычислительную машину, которая вычисляет управляющие воздействия с помощью моделирования машин. Принци­пиальным недостатком такой системы является то, что параметры машины задаются извне, а они трудно опре­делимы, меняются с каждым типоразмером двигателя и подвержены разным внешним воздействиям, в частности температурным (в схеме трансвектора учитывается зави­симость активных сопротивлений от температуры).

Способ преобразования координат, интересный своим изяществом теоретически, практически — сложен.

Использование метода преобразования координат воз­можно в разных видах вентильного привода с различными преобразователями частоты и с асинхронными, синхронны­ми и вентильными двигателями.