Файл: Глава 16.doc

Универсальные регулируемые электроприводы переменного тока обычно строятся на базе асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором с частотным управлением. При этом в качестве источников питания применяются полупроводниковые преобразователи частоты, работающие в режиме источника напряжения (ПЧН) или источники тока (ПЧТ).

Целесообразный способ управления двигателем зависит от технических требований к системе электропривода. В электроприводах с ограниченным диапазоном регулирования и отсутствием динамических режимов работы применяется частотно-параметрический способ, при котором принудительно регулируется частота и действующее значение выходного напряжения ПЧН в соответствии с заданной скоростью.

В электроприводах с ограниченным диапазоном регулирования, к которым предъявляются высокие требования к динамическим режимам, применяется частотно-токовый способ, при котором принудительно регулируется частота и действующее значение выходного тока ПЧТ в зависимости от абсолютного скольжения двигателя при заданной скорости и действующей нагрузке.

В электроприводах с большим диапазоном регулирования скорости и высокими требованиями к динамическим характеристикам применяется регулирование мгновенных значений трехфазной системы питающих напряжений и токов с использованием векторного принципа регулирования.

16.2. Асинхронные электроприводы с частотно-параметрическим регулированием скорости

Наиболее простыми системами частотного регулирования являются частотно-параметрические системы. Такие системы обеспечивают диапазон регулирования скорости до D=10:1 при статизме по моменту S_M=5-10%. Обычно это разомкнутые по скорости системы частотного регулирования, у которых желаемое семейство механических характеристик асинхронного двигателя реализуется за счет формирования регулировочной характеристики преобразователя частоты – отношение амплитуды питающего напряжения к частоте .

Функциональная схема такой системы электропривода приведена на рис.16.1. Частотаf_ПЧ определяется величиной задаваемой скорости ω_з. Канал регулирования частоты преобразователя выпол-няется с линейной регу-лировочной характе-ристикой f_ПЧ(u_зс). В ка-нал регулирования на-пряжения включается функциональный пре-образователь ФП, кото-рый обеспечивает требуемое соотношение между частотой и напряжением G_ω_з. При этом желательно предусмотреть отрицательную обратную связь по выходному напряжению U_ПЧ, чтобы преобразователь частоты обладал свойством источника напряжения. Это позволяет достаточно точно выполнять требуемый закон регулирования G_ωз. Наиболее часто встречающиеся законы регулирования рассмотрены в §10.1.

Электроприводы с частотно-параметрическим регулированием скорости примечаются в технологических установках, работающих в продолжительном режиме с относительно медленным изменением скорости. Такие системы целесообразно также применять, если по технологии требуется одновременное регулирование скорости группы однотипных электроприводов, например, рольгангов с индивидуальными приводами роликов. В этом случае преобразователь частоты является общим источником питания для группы приводов.

16.3. Системы асинхронного электропривода с частотно-токовым управлением

Асинхронные электроприводы с диапазоном регулирования скорости до D=100:1 и высокими требованиями к динамике, когда осуществляются частые пуски, торможения и реверсы, выполняются как системы с частотно-токовым управлением. В таких системах преобразователь частоты работает в режиме источника тока. Это достигается применением преобразователей частоты типа ПЧТ или преобразователей частоты типа ПЧН, которые охватываются отрицательной обратной связью по току. Системы регулирования осуществляет задание частоты и величины тока статора в соответствии с заданной скоростью и нагрузкой на валу двигателя. Фазное напряжение статора при питании от источника тока является неконтролируемым параметром. На рис.16.2 приведена схема замещения и векторная диаграмма асинхронного двигателя при питании от источника тока. Из векторной диаграммы следует, что при I₁=const с уменьшением скольжения и, следовательно, момента на валу двигателя, ток намагничивания I_μ растет до значения равного I₁. Двигатель переходит в режим насыщения. Во избежание этого ток статора I₁ следует соответствующим образом регулировать в зависимости от величины тока , пропорционального моменту двигателя.

Рис.16.2. Схема замещения и векторная диаграмма при питании асинхронного двигателя от источника тока

При питании асинхронного двигателя от источника тока ток статора и потокосцепление в зазоре в установившихся режимах работы связаны следующим соотношением

, (16.1)

где: L_m – индуктивность цепи намагничивания;

L_rl – индуктивность рассеяния обмотки ротора;

- абсолютное скольжение.

Поэтому в системах асинхронного электропривода с частотно-токовым управлением необходимо функционально связать ток статора с величиной абсолютного скольжения в соответствии с (16.1). Если при этом механические характеристики двигателя должны иметь постоянный критический момент, то потокосцепление должно быть постоянным. Для этого случая графическая зависимостьI₁=f(s_абс) представлена на рис.16.3.

Функциональная схема асинх-ронного электропривода с частотно-токовым управлением приведена на рис.16.4. В этой схеме имеется опти-мизированный контур регулирования тока статораI₁ и разомкнутый канал регулирования скорости, в котором задается скорость идеального холостого хода ω₀, соответствующая скорости вращения поля статора при данной частоте. На входе контура тока включен функциональный преобразователь ФП, реализующий зависимость I_1з=f(s_абс). Сигнал абсолютного скольжения вычисляется в сумматоре на входе ФП как.

Жесткость механических характеристик в системе электропривода по схеме рис.16.4 близка к жесткости естественной механической характеристики асинхронного двигателя. Поэтому достижимый диапазон регулирования скорости в этой системе может составить примерно D=20:1.

При необходимости получения большого диапазона регулирования следует внести в систему замкнутый контур регулирования скорости, как это показано на функциональной схеме рис.16.5. Данная система управления является двухканальной и содержит контур скорости и контур тока, которые настраиваются на модульный оптимум. На выходе регулятора скорости формируется сигнал, пропорциональный частоте питания f₁ и скорости вращения поля статора. Вычитая из этого сигнала значение действительной скорости , формируется сигнал, пропорциональный абсолютному скольжению, который подается на вход ФП. Функциональный преобразователь в соответствии с зависимостью указанной на рис.16.3 вырабатывает сигнал задания тока статора, который подается на вход контура тока, имеющего ПИ-регулятор. Частотно-токовое управление может применяться только для однодвигательных электроприводов.

16.4. Система асинхронного электропривода с частотно-векторным регулированием скорости

Для разработки и построения высококачественных замкнутых систем регулирования электроприводов переменного тока целесообразно представить электрическую машину переменного тока как динамический объект, в котором протекают электромагнитные и электромеханические процессы в переходных и стационарных режимах работы. В соответствии с теорией электромеханического преобразования энергии любая электрическая машина рассматривается как сложная электромеханическая система, действие которой основано на едином принципе, определяемом законами электромагнитной индукции. Этим определяется общность аналитического описания процессов в различных типах электрических машинах. Такой подход позволяет обобщить свойства электрических машин переменного тока, используя единую модель [1-1]. Эта модель была названа обобщённой электрической машиной.

16.4.1. Обобщенная электрическая машина

Обобщённая машина представляет собой двухфазную двухполюсную машину, у которой на статоре и роторе имеется по две распределенных обмотки, сдвинутых в пространстве на 90. Схема такой машины приведена на рис.16.6. Процессы в реальной многополюсной машине аналогичны процессам в двухполюсной. При определённых допущениях любая машина независимо от числа фаз на статоре и роторе приводится к двухфазной машине. Обобщённая машина является идеализированной моделью. Иде-ализация подразумевает, что ма-шина симметрична в магнитном и электрическом отношении, в сле-дствие чего магнитодвижущие силы, созданные фазными тока-ми, синусоидально распределены вдоль воздушного зазора. К

Рис.16.6. Схема обобщенной электрической машины

роме того, принимается, что насыщение и потери в стали отсутствуют, а параметры обмоток приведены к числу витков обмотки статора.

Динамика обобщённой машины описывается четырьмя уравнениями электрического равновесия в цепях её обмоток и уравнением электромеханического преобразования, которое выражает электромагнитный момент машины М, как функцию электрических и механических координат системы.

Уравнения Кирхгофа, выраженные через потокосцепление, имеют вид: