ЧАСТОТНОЕ УПРАВЛЕНИЕ АСИНХРОННЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ

Разомкнутые системы частотного управления

Как известно, любая система электропривода в статическом режиме должна обеспечивать устойчивость с определённым запасом, а также заданное значение одной или нескольких выходных координат с отклонением, не превышающим до­пустимой величины. В то же время, любая техническая задача имеет несколько возможных решений и при прочих равных условиях обычно выбирается наиболее простое. Поэтому если к динамике привода не предъявляется особых требований, а статические характеристики соответствуют условиям поставленной задачи, то

іУїном^

ПЧ

W

АД

!(/,)

и

иг

ЗИ

со

Разомкнутые системы частотного управления

ФП

Рис. 2.2. Функциональная схема разомкнутой системы частотного управления

наиболее простым и эффективным решением является использование частотного
регулирования в разомкнутой системе.

Функциональная схема
такой системы показана на
рисунке 2.2. Здесь статор
АД подключен к преобразо-
вателю частоты (ПЧ),
имеющему два независи-
мых канала управления ам-
плитудой (и) и частотой

(иа) выходного напряжения

или тока. Канал управления амплитудой может быть охвачен отрицательной об-
ратной связью по соответствующему параметру. На рисунке она показана штри-
ховой линией. В этом случае ПЧ обладает свойствами идеального источника на-
пряжения или тока, и параметры его выходных цепей могут не учитываться при
анализе процессов в АД. В противном случае импеданс выходных цепей преобра-
зователя включают в параметры цепи статора.

Функциональный преобразователь (ФП) необходим для формирования зако-
на управления напряжением или током статора АД в зависимости от частоты, т. е.
частота в такой системе является независимым параметром, определяющим
скорость вращения АД с точностью до скольжения.

Задатчик интенсивности (ЗИ) служит для настройки скорости нарастания и
спада входного сигнала, исключающей электрические и механические перегруз-
ки. Тщательная его настройка особенно необходима, если ПЧ нереверсивный, т. е.
не обладает способностью двухстороннего обмена энергией между питающей се-
тью и АД, т. к. в этом случае кинетическая энергия, накопленная вращающимися
массами, при торможении будет рассеиваться в преобразователе, создавая недо-
пустимые перегрузки или даже аварийные режимы.

При частотно-токовом управлении, т. е. когда ПЧ работает в режиме источни-
ка тока, механические характеристики АД не зависят от частоты и обладают су-

*

щественно меньшим критическим скольжением. Кроме того, АД развивает зна-
чительно больший момент на валу при том же токе статора. Тем не менее, поло-
жительные свойства частотно-токового управления можно использовать только в
замкнутой системе с током статора, изменяющимся в функции абсолютного
скольжения, т. к. в противном случае необходимая перегрузочная способность
достигается значительным увеличением напряжения и тока, что недопустимо в
длительном режиме. Поэтому в большинстве случаев ПЧ является источником
напряжения, и в этом разделе мы ограничимся рассмотрением только такого ре-
жима работы системы.

Управление частотой по закону Uxl fx = const и при Ux - const.

Управление по закону Ux! fx = const или, что то же самое, у = а является
наиболее распространенным частным случаем закона М. П. Костенко.

Схему замещения для статического режима можно получить из схемы рис.

2.1. б) делением всех параметров на а. В этом случае она имеет вид, показанный на рис. 2.3 а). Основной магнитный поток пропорционален падению напряжения на ветви намагничивания Ubc. Поэтому при уменьшении частоты (а—>0) и при увеличении нагрузки ((3 —> оо) он будет уменьшаться. В первом случае будет уве­личиваться падение напряжения на гх / а за счет уменьшения а, а во втором - бу­дет увеличиваться падение напряжения на импедансе статора ^ = ^(i /а)2 + х^П

Разомкнутые системы частотного управления

Рис. 2.3. Схема замещения (а) и относительное изменение потока при изменении частоты и нагрузки (б).

за счет увеличения тока 1Х, т. к.

Zab М±°° >minZab = Хш Р*2а ~ *2а • РИС-

2.3 б) показаны типичные кривые измене­ния потока. Как и следовало ожидать, при любой нагрузке магнитный поток снижа­ется до нуля при а —» 0, однако при часто­тах статора близких к номинальной поток снижается слабо. Уменьшение потока тем больше, чем выше нагрузка двигателя, т. е. частота ротора или абсолютное скольже­ние Р.

С уменьшением частоты статора при тех же значениях частоты ротора умень­шаются ток, момент и мощность двигателя за счет увеличения гх/а. Уменьшается также и КПД двигателя, а коэффициент мощности возрастает, т. к. увеличивается активная составляющая входного импе­данса.

Полагая в общем выражении для мо­мента (2.4) у = са, получим уравнение ме­ханической характеристики АД при управлении по закону Uxl fx= const

м = мко2(1о+Фк) , где (2.8)

Рк Р 4 К

q = ^2—, zl{a)=^{rx/a)2 +х}: z[(a) = Ji^/a)2 +(^f; х’ = <зхх: k2 = xm/x2;

Щ h

Из выражения (2.8) следует, что все три величины, определяющие механиче­скую характеристику АД, (Мк; Рк; q) изменяются при изменении частоты. Из-за влияния активного сопротивления статора гх критический момент в генераторной
области МКГ существенно выше, чем в двигательной М. В двигательном режи­ме с уменьшением частоты критический момент монотонно уменьшается, что оз­начает уменьшение запаса статической устойчивости при работе на нагрузку с постоянным моментом. На рис. 2.4 приведены зависимости критического момента и абсолютного скольжения от частоты для двигателей различной мощности, отне­сенные к их значениям при номинальной частоте. Там же приведены кривые оценки модуля относительной жесткости механических характеристик h{а) ли­неаризованных на рабочем участке.

Из кривых рис. 2.4 следует, что при управлении по закону Uxi fx = const в принципе невозможно обеспечить перегрузочную способность на уровне естест­венной характеристики АД. Если же допустить некоторое снижение запаса устой­чивости, то тем самым определится и диапазон регулирования как D=llаир,

где апр - предельная частота, соответст­вующая допустимому снижению. Пусть, например, возможно снижение перегру­зочной способности до 0,8 от значения естественной характеристики. Тогда для различных мощностей АД по кривым Мк (а) получим предельные значения

частот 0,2; 0,4 и 0,53, что по условию за­паса устойчивости соответствует диапа­зонам регулирования 5:1; 2,5:1 и 1,9:1 для двигателей мощностью 56; 5,5 иО,55 кВт.

Характер зависимости Мк(а) для двига­телей всех мощностей одинаков, но с увеличением мощности крутизна ее в об­ласти низких частот возрастает, увеличи­вая диапазон регулирования. Это связано с тем, что с увеличением мощности уменьшается относительная величина

активного сопротивления статора и его влияние на электромеханические процес­сы.

Следует заметить, что диапазон ре­гулирования определяется характеристи­ками двигателя и нагрузки. Для рассмат­риваемого закона управления в случае вентиляторной нагрузки диапазон регу­лирования теоретически равен бесконеч­ности. На рисунке построена такая харак­теристика, с моментом равным половине критического на номинальной частоте. Как видно из рисунка для двигателей всех мощностей перегрузочная способность на всех частотах (Мк (а) / Мвент (а)) больше 2, т. е. больше, чем на естественной характеристике. Поэтому закон регулирования Uxl fx = const в основном исполь­зуют именно для таких приводов. В реальных приводах к вентиляторному момен­ту добавляется момент сухого трения, и диапазон регулирования снижается и со­ставляет (50... 30): 1.

Однако диапазон регулирования определяется обычно не только задачей со­хранения запаса устойчивости, но также и условием обеспечения заданного ста - тизма, т. е. жесткости механических характеристик. Кривые h(а) (рис. 2.4) свиде­тельствуют, что жесткость естественной характеристики максимальна и снижает­ся с уменьшением частоты до нуля. Кроме того, из рисунка следует, что жест­кость механических характеристик до определенного предела менее подвержена влиянию изменения частоты, нежели критический момент. Для двигателей мощ­ностью более 1...2 кВт снижение жесткости в диапазоне регулирования 10:1 со­ставляет величину порядка 7-10% и в большинстве случае вполне удовлетворяет заданным требованиям значительного числа приводов. Если же требуется боль­шая жесткость характеристик или более широкий диапазон регулирования, то ис­пользуют замкнутые системы частотного регулирования.

Разомкнутые системы частотного управления

Рис. 2.5. Механические характеристики АД при управлении по закону U/f=const.

Если абсолютное критическое скольжение пред­ставить через относительное Рк = asK и подставить в уравнение механической характеристики (2.8), то можно построить семейство механических характери­стик в функции относительного скольжения или час­тоты вращения (рис. 2.5). Здесь же показаны кривые точек опрокидывания для двигателей различных мощностей. Эти характеристики, а также другие рас­смотренные ранее показывают, что все эксплуатаци­онные свойства АД, кроме коэффициента мощности, при управлении по закону Uxl fx = const с уменьшени­ем частоты ухудшаются. Причем, это ухудшение ста­новится особенно заметным приблизительно с a >0,5, хотя указанная граница весьма условна и зависит от параметров машины. И в первую очередь от относи­тельного значения активного сопротивления статора.

Таким образом, режим управления Uxl fx = const эффективно может приме­няться только в приводах с вентиляторной нагрузкой. Для других устройств необ­ходимо использовать законы управления, обеспечивающие увеличение отноше­ния Ux / fx по мере снижения частоты для компенсации падения напряжения на активном сопротивлении статора.

В некоторых случаях диапазон регулирования можно расширить за счет по­вышения частоты питания. Если при этом сохранять соотношение Ux/ /J, то мощ­ность двигателя будет возрастать и, соответственно, будет возрастать нагрузка наРазомкнутые системы частотного управления

3 а

Критический момент зависит от а и у, поэтому из условия Мк(а) = Мк(1), т. е. из условия, чтобы критический момент при любом значении а был равен мо­менту при номинальной частоте питания, получим необходимый закон управле­ния

гха ± а(а) • Ь{а)

у =

ц ± 3(1) • 6(1)

Разомкнутые системы частотного управления

При этом законе управления у не зависит от Р, поэтому, пользуясь выражением для потока, можно найти отношение потоков для предельных абсолютных скольжений

фр=

Большие значения соответствуют двигателям большей мощности. Типичный характер функции 8ф(а) показан на рисунке 2.7.

Из этого рисунка следует, что при управлении по закону (2.9) обеспечивается примерное постоянство потока при снижении частоты до значений a = 0,2К 0,3, а затем сохранение перегрузочной способности АД обеспечивается резким увели­чением магнитного потока в зазоре и соответствующего увеличения тока намаг­ничивания = 1т//1ном (см. рис. 2.7). Ток намагничивания может возрасти до но­минального значения тока статора и выше, что приведет к тепловой перегрузке двигателя.

Таким образом, в отличие от закона управления у = а или, что то же самое, Ux! fx= const, где ограничение диапазона регулирования было связано с умень­шением критического момента и жесткости механических характеристик, здесь обеспечить работу АД с номинальной перегрузочной способностью в широком диапазоне регулирования частоты невозможно из-за возрастания тока намагничи­вания и глубокого насыщения магнитопровода.

ЧАСТОТНОЕ УПРАВЛЕНИЕ АСИНХРОННЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ

Подключение частотного преобразователя

Цены на преобразователи частоты(12.11.14г.): Модель Мощность Цена CFM110 0.25кВт 1500грн CFM110 0.37кВт 1600грн CFM210 1,0 кВт 2200грн CFM210 1,5 кВт 2400грн CFM210 2,2 кВт 2900грн CFM210 3,3 кВт 3400грн Контакты …

Применения

В настоящее время большинство технологических задач решается на основе комплектных асинхронных электроприводов с частотным управлением. Сегодня все ведущие отечественные и зарубежные фирмы, работающие в области сило­вой электроники выпускают изделия, предназначенные …

Пространственно — векторная модуляция

Метод пространственно-векторной модуляции (ПВМ) был разработан в се­редине 90-х годов в связи расширением возможностей систем микропроцессор­ного управления. Традиционные методы ШИМ основаны на сравнении сигнала задания с сигналом линейной развертки (пилообразным …

Как с нами связаться:

Украина:
г.Александрия
тел./факс +38 05235  77193 Бухгалтерия
+38 050 512 11 94 — гл. инженер-менеджер (продажи всего оборудования)

+38 050 457 13 30 — Рашид - продажи новинок
e-mail: msd@msd.com.ua
Схема проезда к производственному офису:
Схема проезда к МСД

Оперативная связь

Укажите свой телефон или адрес эл. почты — наш менеджер перезвонит Вам в удобное для Вас время.