1 Построение концептуальной модели системы

1. Частотное регулирование скорости асинхронного двигателя

Применение частотного регулирования скорости зна­чительно расширяет возможности использования асин­хронных электроприводов в различных отраслях промыш­ленности. В первую очередь это относится к установкам, где производится одновременное изменение скорости не­скольких асинхронных двигателей, приводящих в дви­жение, например, группы текстильных машин, конвейеров, рольгангов и т. п. Используется частотный принцип регулирования скорости асинхронных двигателей и в ин­дивидуальных установках, особенно в тех случаях, когда необходимо получить от механизма высокие угловые скорости, например, для центрифуг, шлифовальных стан­ков и т. д. Питание асинхронных двигателей осуществ­ляется при этом не от общей сети, а от преобразователя частоты ПЧ, показанного на рисунке 1, энергия к которому подводится от сети постоян­ной частоты f_1c и напряжения U_1c. На выходе преобразова­теля, как правило, меняется не только частота f₁ но и напряжение U₁. Для преоб­разования частоты могут быть использованы электро­машинные или полупровод­никовые устройства, разли­чающиеся по принципу дей­ствия и конструкции. Возможность изменения скорости асинхронного дви­гателя при регулировании частоты f₁ следует непосредст­венно из выражения

из которого видно, что синхронная скорость асинхронного двигателя прямо пропорциональна частоте напряжения статора. При регулировании частоты возникает также необходимость регулирования напряжения источника пи­тания. Действительно, э. д. с. обмотки статора асинхрон­ного двигателя пропорциональна частоте и потоку.

(1.1)

С другой стороны, пренебрегая в первом приближении падением напряжения на сопротивлениях обмотки ста­тора, т. е. полагая можно запи­сать:

или с учетом (1.1)

(1.2)

Из приведенного выражения следует, что при неизмен­ном напряжении источника питания U₁ и регулировании его частоты изменяется магнитный поток асинхронного двигателя. В частности, уменьшение частоты f₁ приводит к возрастанию потока и как следствие к насыщению ма­шины и увеличению тока намагничивания, что связано с ухудшением энергетических показателей двигателя, а в ряде случаев и с его недопустимым нагревом. Увели­чение частоты f₁ приводит к снижению потока двигателя, что при постоянном моменте нагрузки на валу в соответ­ствии с выражением М = kФI₂cosφ₂ приводит к возра­станию тока ротора, т. е. к перегрузке его обмоток по току при недоиспользованной стали. Кроме того, с этим связано снижение максимального момента и перегрузочной способности двигателя [2].

Для наилучшего использования асинхронного двига­теля при регулировании скорости изменением частоты необходимо регулировать напряжение одновременно в функции частоты и нагрузки.

Регулирование напряжения лишь в функции одной частоты с учетом характеристики механизма может быть реализовано в разомкнутых системах частотного управ­ления.

Регулирование напряжения в функции нагрузки можно осуществить, как правило, лишь в замкнутых системах, в которых при использовании обратных связей напряже­ние при данной частоте может изменяться в зависимости от нагрузки.

Изменение частоты источника питания позволяет регу­лировать скорость асинхронного двигателя как выше, так и ниже основной. Обычно при регулировании выше основ­ной скорости частота источника питания превышает номинальную не более чем в 1,5—2 раза. Указанное ограничение обусловлено прежде всего прочностью креп­ления обмотки ротора. Кроме того, с ростом частоты питания заметно увеличиваются величины мощности по­терь, связанные с потерями в стали статора. Регулирова­ние скорости вниз от основной, как правило, осуществ­ляется в диапазоне до 10—15. Нижний предел частоты ограничен сложностью реализации источника питания с низкой частотой, возможностью неравномерности вра­щения и рядом других факторов. Таким образом, частот­ное регулирование скорости асинхронного двигателя может осуществляться в диапазоне до 20—30. Использование двигателей специальной конструкции дает возможность расширить диапазон регулирования за счет увеличения верхнего предела скорости. Нижний предел скорости может быть уменьшен путем введения в схему управления различных обратных связей.

Если при регулировании частоты напряжение изме­няется таким образом, что Ф = const, то допустимый момент на валу асинхронного двигателя при частотном регулировании скорости также будет неизменным (М_ДОП = const).

1.2 Закон изменения напряжения при частотном регулировании скорости асинхронного двигателя

При выборе соотношения между частотой и напряже­нием, подводимым к статору асинхронного двигателя, чаще всего исходят из условия сохранения перегрузочной способности асинхронного двигателя, т. е. кратности критического момента к моменту статической нагрузки, для любой из регулировочных механических характери­стик:

Пренебрегая падением напряжения на об­мотке статора и учитывая, что х_К = f₁ и ω₀ = f₁ можно найти:

где А – коэффициент, не зависящий от напряжения и частоты.

Тогда для любой частоты f_1j источника питания и со­ответствующей ей угловой скорости ω_j можно записать:

где U_1j – фазное напряжение источника питания (соответственно и на обмотке статора асинхронного двигателя) при частоте f_1j;

М_C (ω_j) – момент статической нагрузки на валу двигателя при скорости

Из последнего выражения следует, что для любых двух значений регулируемой частоты f_1j и f_1k должно соблюдаться соотношение

Отсюда следует основной закон изменения напряже­ния при частотном регулировании скорости асинхронного двигателя

(1.3)

Рисунок 1 – Механические характеристики асинхронного двигателя при частотном регулировании скорости для случая λ = const при M_C = const

1.3 Преобразователи частоты

В системах автоматизированного электропривода находят применение различные типы преобразователей частоты, которые могут быть разделены на две группы: электромашинные преобразо­ватели и вентильные преобразователи

Рисунок 2 – Принципиальная схема асинхронного электро­привода с электромашинным преобразователем частоты, выполненным на базе синхронного генератора.

При использовании первых источником напряжения перемен­ной частоты служат электрические машины переменного тока. На рисунке 2 регулируемые асинхронные двигатели АД1 и АД2 присоединены к электромашинному преобразователю частоты с синхронным генератором. Частота f_ВЫХ выходного напряжения синхронного генератора СГ связана с его угловой скоростью ω соотношением

где р – число пар полюсов СГ.

Для изменения f_ВЫХ необходимо регулировать скорость ω₂. Синхронный генератор приводится от двигателя постоянного тока Д, управляемого по системе генератор – двигатель с помощью агрегата постоянной скорости, включающего в себя генератор постоянного тока Г и его приводной двигатель ДГ. В качестве последнего может быть использован синхронный или асинхронный двигатель.

Регулирование скорости СГ, а тем самым и выходной частоты производится теми же способами, что и в обычной системе Г – Д, т. е. изменением тока возбуждения генератора Г и дополнительно тока возбуждения двигателя Д. Величина выходного напряжения f_ВЫХ регулируется изменением тока возбуждения СГ.

Если мощность, потребляемая от сети переменного тока регу­лируемой частоты, равна Рн, то, учитывая, что эта мощность прохо­дит через все машины преобразователя, найдем суммарную установ­ленную мощность машин преобразователя без учета потерь в них

При выборе машин конкретного преобразователя необходимо учитывать потери энергии в них. Поэтому в действительности полная установленная мощность преобразователя более чем в 4 раза пре­восходит мощность нагрузки.

Достоинства рассмотренного преобразователя состоят в воз­можности раздельного регулирования выходного напряжения и выходной частоты и в возможности применения стандартных электри­ческих машин для преобразования.

Электромашинные преобразователи частоты обладают сущест­венными недостатками, основными из которых являются большие габариты преобразователя и значительная его инерционность, свя­занная с необходимостью изменения скорости преобразовательного агрегата при изменении выходной частоты. Эти недостатки ограничи­вают область применения электромашинных преобразователей и приводят к необходимости использования вентильных (статиче­ских) преобразователей частоты, в частности тиристорных, позво­ляющих повысить к.п.д. электроприводов и их быстродействие, а также уменьшить габариты.

Вентильные преобразователи частоты, предназначенные для регулирования скорости асинхронных, в первую очередь короткозамкнутых двигателей, должны обеспечивать требуемую частоту при отсутствии других генераторов в выходной цепи преобразова­теля и допускать раздельное регулирование частоты и напряжения с целью достижения опти­мального режима частот­ного управления.

Среди статических вен­тильных преобразователей частоты выделяются две разновидности: преобразователи с непосредственной связью, в которых в одном устройстве совмещены функ­ции выпрямления и инвер­тирования, и преобразова­тели с промежуточным зве­ном постоянного тока. Об­ласть применения первых ограничена зоной низких частот – примерно от 10 Гц и ниже при частоте питающей сети 50 Гц. Более универсальны преобразо­ватели с промежуточным звеном постоянного тока, которые позво­ляют регулировать частоту на выходе в очень широких пределах от нескольких тысяч герц до десятых и сотых долей герца независимо от значения частоты питающей сети.

Рисунок 3 – Структурная схема асин­хронного регулируемого электропри­вода с вентильным преобразователем частоты, имеющим промежуточное звено постоянного тока.

На рисунке 3 приведена блок-схема преобразователя с проме­жуточным звеном постоянного тока. Преобразователь состоит из трех основных узлов: П_Р1 осуществляющего преобразование энергии от питающей сети переменного тока с напряжением U_С и частотой f_С в энергию постоянного тока при регулируемом напряжении U = var; П_Р2 представляющего собой автономный инвертор с регу­лируемой частотой f₁ = var на выходе, и блока управления БУ. Блок управления имеет два канала для раздельного регулирования напряжения и частоты. Регулирование напряжения осуществляется с помощью П_Р1 как в выпрямительном, так и в инверторном режиме. В первом случае АД работает в двигательном режиме, во втором – в режиме рекуперативного торможения.

В системах автоматизированного электропривода в зависимости от мощности преобразователя и глубины регулирования напряжения используются различные виды выпрямителей: однофазные, трех­фазные, мостовые и с нулевой точкой, симметричные, несимметрич­ные и т. п.

Выпрямленное, в общем случае регулируемое по величине, на­пряжение инвертируется, т. е. преобразуется в трехфазное переменное напряжение регулируемой частоты посредством автономного инвертора П_Р2. Выходное напряжение таких инверторов в большин­стве случаев несинусоидальное.