7.4. Системы управление эим переменного тока

В регулируемых электроприводах переменного тока для управления ИМ используют преимущественно асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором (АДКР), а также синхронные двигатели с постоянными магнитами (СДПМ) и вентильные двигатели (бесколлекторные двигатели постоянного тока – БДПТ).

При этом применяются различные способы регулирования скорости электродвигателей путем изменения напряжения статора, частоты и напряжении статора, частоты и тока статора и др. Используется значительно большее число контролируемых координат, нежели в электроприводах постоянного тока, и, соответственно, множество силовых преобразовательных устройств, различающихся и конструктивными решениями, и способами управления. Все эти обстоятельства затрудняют формирование общих подходов к синтезу СУИМ переменного тока. Ниже рассмотрены лишь основные способы управления наиболее распространенными в промышленности АДКР и принципы построения систем управления ИМ на их основе.

При фазовом управлении тиристорами (симисторами) силового преобразователя, питающего статорную обмотку АДКР изменяется, по сути, средневыпрямленное напряжение полуволн питающей сети при постоянстве частоты питающей сети. Отсюда недостатки такого способа регулирования:

1. снижение критического электромагнитного момента АД при уменьшении напряжения статора , причем в квадратичной зависимости:

, (7.1)

где , (7.2)

E₁ – э.д.с. асинхронной машины,

– число витков обмотки статора,

– магнитный поток,

– частота напряжения статора,

– угловая скорость вращения поля статора;

2. малый диапазон регулирования скорости в силу значительного снижения электромагнитного момента на малых скоростях;

3. увеличение потерь в АД, поскольку помимо первой гармоники напряжение питания статора содержит высшие гармонические составляющие.

Указанные недостатки ограничивают область применения СУИМ с фазовым управлением – только для регулирования скорости маломощных АД, либо в качестве устройств плавного пуска.

При частотном управлении АД одновременно с изменением напряжения статора изменяют и его частоту. Как следует из (7.2) при уменьшении частоты питающего напряжения необходимо одновременно уменьшать и напряжение статора, чтобы избежать насыщения магнитной цепи при увеличении магнитного потока . И, наоборот, при уменьшении напряжение статора необходимо одновременно уменьшать и частоту питающего напряжения, чтобы исключить существенное снижение потока магнитного потока , и, тем самым, снижение электромагнитного потока. В связи с этим различают несколько способов (законов) частотного управления:

1. пропорциональное управление (закон Костенко) при обеспечении

; (7.3)

2. управление с постоянным максимально допустимым моментом нагрузки или магнитным потоком (с - компенсацией падения напряжения в обмотках статора) при

; (7.4)

3. квадратичное управление (управление с постоянной мощностью АД) при

или . (7.5)

Закон пропорционального управления (7.3) целесообразен при вентиляторном характере нагрузки ИМ (насосы, вентиляторы, дымососы, компрессоры), закон с - компенсацией (7.4) – при постоянстве момента нагрузки (грузоподъемные ИМ), закон квадратичного управления (7.5) – при постоянстве мощности электропривода (тяговый электротранспорт).

Специфическими разновидностями частотного управления являются частотно-токовое управление и векторное управление. В первом случае управляют частотой и амплитудой тока статора. При этом преобразователь частоты рассматривается как источник переменного тока. Во втором случае оптимальное управление АД достигается изменением амплитуды, фазы и частоты векторов тока и потокосцепления ротора.

Для управления электродвигателями переменного тока используются различные полупроводниковые преобразователи: преобразователи напряжения, неуправляемые выпрямители, зависимые инверторы, автономные инверторы тока и напряжения, непосредственные преобразователи частоты, импульсные преобразователи. Схемы силовых преобразователей весьма разнообразны и определяются конкретными требованиями к электроприводу переменного тока по таким показателям, как мощность, диапазон регулирования скорости, характеристика момента нагрузки на валу, потери электроэнергии, простота реализации, форма выходного напряжения или тока и др.

Преобразователи частоты (ПЧ), получившие наибольшее распространение в технике электропривода, разделяются на две большие группы: ПЧ со звеном постоянного тока и ПЧ с непосредственной связью – НПЧ. В свою очередь ПЧ со звеном постоянного тока разделяются на ПЧ с управляемым или неуправляемым выпрямителем, с автономными инверторами тока (АИТ) или автономными инверторами напряжения (АИН).

Устройство, принцип работы и характеристики различных преобразователей частоты, используемых для управления электродвигателями переменного тока, достаточно всесторонне освещены в [11-13].

Рассмотрим некоторые функциональные схемы СУИМ на основе частотного управления электроприводами.

На рис. 7.1 приведена упрощенная схема системы частотного управления асинхронными электроприводами подъемно-транспортных ИМ с iR - компенсацией на основе СПЭ со звеном постоянного тока, содержащем управляемый выпрямитель УВ и автономный инвертор напряжения АИН.

Д ля вычисления модуля э.д.с. АД в структуру СУИМ введен функциональный преобразователь ФП. Сигнал , определяющий задание частоты поля статора, поступает одновременно на регулятор э.д.с. (РЭ) и систему управления тиристорами АИН. РЭ осуществляет требуемое соотношение (7.4), вырабатывая сигнал задания напряжения статора, поступающий на систему управления тиристорами выпрямителя. В системах регулирования скорости дополнительно применяют обратные связи по току статора и скорости вращения АД и, соответственно внешние контуры тока и скорости (на рис. 7.1 они не показаны).

Рис. 7.1. Система частотного управления с iR - компенсацией

На рис. 7.2 приведена функциональная схема асинхронного электропривода с частотно-токовым управлением.

СУИМ является двухконтурной: внутренний контур – контур регулирования тока статора, внешний – контур регулирования скорости. Регулятор скорости формирует сигнал задания частоты тока статора, пропорциональный ошибке регулирования скорости. На вход функционального преобразователя ФП подается разность выходного сигнала регулятора скорости и сигнала датчика скорости U_дс, пропорционального скорости АД. Таким образом, на входе ФП формируется сигнал пропорциональный абсолютному скольжению

. (7.6)

На практике нелинейную функцию функционального преобразователя ФП линеаризуют. Тогда электромагнитный момент электродвигателя [11-13]

. (7.7)

Рис. 7.2. Система частотно-токового управления

Сравнивая выражения (7.6) и (7.7), можно заключить, что выходной сигнал ФП может служить заданием тока статора или момента. На рис. 7.2 этот сигнал обозначен U_зт .

Раздельное управление током и частотой поля статора регуляторами тока и скорости обеспечивает простоту настройки СУИМ и высокое качество переходных процессов в электроприводе. Система частотно-токового управления применяется преимущественно в станочном электроприводе.

На рис. 7.3 приведена упрощенная функциональная схема асинхронного электропривода с векторным управлением. Обозначения блоков на схеме:

АИН с ШИМ – автономный инвертор напряжения с широтно-импульсной модуляцией;

БРП – блок регулирования переменных;

БЗП – блок задания переменных;

БВП – блок вычислений переменных.

Существует достаточно большое вариантов исполнения частотно-регулируемых преобразователей частоты (ЧРП), реализующих векторное управление [13]. Впервые такая система была разработана свыше 30 лет назад и получила название «Трансвектор».

Векторное управление – это управление во вращающейся системе координат, где скорость поля статора равна скорости вращающейся системы координат, т.е. . Задающими воздействиями СУИМ являются заданная частота вращения и потокосцепление ротора.

Рис. 7.3. Функциональная схема асинхронного электропривода

с векторным управлением

В системах векторного управления осуществляется независимое регулирование проекций тока статора и , определяющих электромагнитный момент и магнитный поток АД, на оси d и q подвижной системы координат. Для этого в системе осуществляется двукратное преобразование координат – из неподвижной системы координат в осях  и  (токи фаз А и В) во вращающуюся систему координат в осях d, q и обратно (преобразователи БВП и БЗП), и регулирование составляющих тока по замкнутому контуру во вращающейся системе (блок БРП). В этих преобразованиях обычно вектор потокосцепления ротора направляют по одной из осей d или q.

В одних модификациях ЧРП скорость вращения ротора  определяют косвенно на основе математической модели реального времени ('), в других – с использованием встроенного частотно-импульсного датчика (энкодера).

Для осуществления перехода из одной системы координат в другую необходимо в каждый момент времени определять угол между системами координат (неподвижной и вращающейся).

Существует несколько способов определения этого угла:

1. используют датчики Холла, которые устанавливаются в расточку статора под углом 90⁰ относительно друг друга, при помощи которых определяют величину главного магнитного потока а зазоре;

2. используют измерительные обмотки, измеряющие Е₁ и Е₂;

3. косвенно определяют составляющие магнитного потока при помощи вычислительных устройств или математической модели АД. На основе составляющих фазных токов на выходе получают проекции вектора потокосцепления статора и на оси  и .

Среди отечественных частотно-регулируемых электроприводов широко применяются электроприводы серии АТ фирмы «Триол», среди зарубежных – электроприводы фирм «Siemens», «Danfoss», «Schneider Electric» и др.

Электроприводы, в общем случае, обеспечивает выполнение следующих функций:

– предоставление информации о координатах состояния электропривода: I, M, P,  и др.;

– выбор источника управления: местное или дистанционное;

– программирование в режимах «off line» и «on line» (реальном времени);

– программирование таких задающих сигналов, как темпы разгона и торможения или формирование S–рампы (ЗИ 2-го рода);

– программирование параметров сигналов датчиков обратной связи в форме тока (0–5, 0–20, 4–20 мА) или напряжения (0–1, 0–10 В);

– программирование внешнего технологического контура регулирования с ПИД- регулятором или его частным структурам;

– программирование закона частотного управления, в частности, ;

– программирование параметров номинального режима и предельных значений координат;

– программирование пуска, торможения и отключения привода с дублированием релейного или звукового сигнала;

– программирование режима динамического торможения для электроприводов с динамическим торможением;

– программирование параметров локальной сети при работе в составе промышленной сети и др.

Наибольший экономический эффект дает применение ЧРП в системах тепло- и водоснабжения, вентиляции и кондиционирования, где применение ЧРП стало фактически стандартом. Наибольшая экономия электроэнергии достигается в случае переменной нагрузки, т.е. работы электродвигателя, как с полной, так и неполной нагрузкой.