Чернышев А.Ю., Дементьев Ю.Н., Чернышев И.А. Электропривод переменного тока

Подождите немного. Документ загружается.

121

конечном участках переходного процесса. Исследования [9] показали, что

при относительно легких условиях пуска (

;1,0μ

)150

создание не-

нулевых начальных условий потока и потокосцеплений двигателя не дает

каких-либо преимуществ, а наоборот, увеличивает колебательность пере-

ходных процессов скорости.

е. о.

0,0

2,0

4,0

6,0

8,0

0,1

∗

2,04,06,08,00,1

е. о.

∗

е. о.

0,0

2,0

4,0

6,0

8,0

0,1

∗

2,04,06,08,00,1

е. о.

∗

Рис. 4.22. Динамическая механическая характеристика пуска асинхронного

двигателя на частоту

0,1

max1

∗

f в разомкнутом электроприводе

автономный инвертор напряжения–асинхронный двигатель

Колебания электромагнитного момента на графиках переходных

процессов и динамической механической характеристики объясняются

сложностью формирования начальных значений потокосцеплений дви-

гателя в разомкнутом электроприводе при скалярном управлении.

4.6. Система преобразователь частоты–асинхронный двигатель

с положительной обратной связью по току

Основные законы регулирования скорости асинхронного двигателя

класса

при питании его от инвертора напряжения были рас-

смотрены в разделе 4.5. Теоретически и практически доказано, что

в классе законов

невозможно одновременно обеспечить удов-

летворительные механические и энергетические характеристики в ши-

роком диапазоне скоростей и изменения нагрузки. Основная причина

этого – возрастание влияния активного сопротивления обмотки статора

при снижении частоты питающего напряжения. В асинхронных частот-

но-регулируемых электроприводах со скалярным управлением, кроме

законов регулирования класса

, получили применение и другие

законы регулирования. Схема замещения асинхронной машины, при-

122

годная для анализа как установившихся, так и переходных режимов ра-

боты при любой частоте

питающего напряжения

обмоток ста-

тора, приведена на рис. 4.23.

σ1

σ2 j

Рис. 4.23. Схема замещения асинхронной машины

в установившемся режиме при частотном управлении

В соответствии со схемой замещения (рис. 4.23) можно записать

следующие уравнения:

1111

IREU

⋅

; (4.16)

(

)

1σ111

IXjREU

jmj

⋅

; (4.17)

(

)

σ21σ11

IXjIXjREU

jjj

⋅⋅+⋅++= . (4.18)

Таким образом, компенсируя падения напряжения на сопротивле-

ниях

R ,

XjR

σ11

⋅+ ,

XjR

σ11

⋅+ и

σ2

X , можно получить частотные за-

коны регулирования скорости классов

В соответствии с уравнениями математической модели асинхрон-

ного двигателя в неподвижной системе координат, условие поддержа-

ния постоянного соотношения между ЭДС

E и частотой напряжения

статора

f в статике является и условием стабилизации потокосцепле-

ния статора

ψ . Регулирование класса

– это регулирование с по-

стоянным потокосцеплением в воздушном зазоре

, а регулирование

класса

– регулирование с постоянным потокосцеплением ротора.

Если при изменении нагрузки на валу двигателя поддерживать по-

стоянными соответствующие значения ЭДС

EE ,

или

E , то механи-

123

ческие характеристики асинхронного двигателя получат вид, пока пока-

занный на рис. 4.24.

мH ⋅

0,0

2,0

4,0

6,0

8,0

0,1

0 5 10 15 20 25

е. о.

мH ⋅

0,0

2,0

4,0

6,0

8,0

0,1

0 5 10 15 20 25

е. о.

Рис. 4.24. Механические характеристики асинхронного двигателя

при различных законах регулирования:

1 –

const

; 2 –

const

;

3 –

const

; 4 –

const

Анализ механических характеристик, приведенных на рис. 4.24,

показывает, что для стабилизации скорости при изменении нагрузки на

валу двигателя предпочтение следует отдавать методу регулирования

с const

=E . Однако такое регулирование предполагает повышение на-

пряжения

по сравнению с номинальным

Н1

при всех значениях на-

грузки, что в большинстве случаев приводит к насыщению магнитной це-

пи асинхронного двигателя и его перегреву. Поэтому на практике наи-

большее распространение получили такие способы частотного регулиро-

вания скорости, как

const

fE ; const

fE ;

const

При регулировании скорости в классе законов

необходимо по-

вышать фазное напряжение

1111

RIEU

⋅

только на величину паде-

ния напряжения

RI ⋅

на активном сопротивлении обмотки статора,

а способ регулирования скорости асинхронного двигателя получил назва-

ние – частотное регулирование с

R -компенсацией.

Реализация управления компенсирующего падения напряжения на

активном сопротивлении статора возможна как по отклонению, так и по

возмущению, со скалярной или векторной

R -компенсацией.

4.6.1. Частотное управление асинхронным электроприводом

со скалярной IR-компенсацией

Структурная схема системы скалярного частотного управления

R -компенсацией приведена на рис. 4.25.

124

Задатчик интенсивности ЗИ формирует кривую и темп разгона дви-

гателя. При дистанционном управлении электроприводом сигналом за-

дания скорости является задающее напряжение

U . Ему соответствует

задающая частота

f местного управления, в этом случае управление

пуском и остановом двигателя производится с панели управления пре-

образователя. Блок

преобразователь частота–напряжение ПЧН фор-

мирует требуемую зависимость скалярного управления между частотой

и напряжением преобразователя, чем и устанавливает один из принятых

способов частотного регулирования скорости класса

км

1км

ПКП

yx,

ба,

СВА ,,

У1

AДТ

СДТ

)АИН(

ПЧ

ФТС

кор

ПЧН

π2

⋅

ЗИ

Рис. 4.25. Структурная схема частотного управления

со скалярной IR-компенсацией

В электроприводах с микропроцессорным управлением аналитиче-

ские зависимости класса

аппроксимируются в блоке ПЧН ло-

маными линиями, так как показано в табл. 4.1. Причем, для удобства

пользователя значения переменных

задаются непосредствен-

но на выходе преобразователя – автономного инвертора напряжения.

При скалярной

-компенсации сигнал управления

U является

суммой сигналов регулирования

и положительной обратной связи

по току

кор

U :

IRkUUUU

⋅

1кмркорру

, (4.19)

где

км

– коэффициент положительной обратной связи по току;

– ак-

тивное сопротивление обмотки статора асинхронного двигателя;

– сигнал,

125

пропорциональный действующим значениям токов

i ,

i обмоток

статора асинхронного двигателя.

Таблица 4.1

Индекс установки

кривой в константе

1-03

Реализуемый

закон

управления

Кривая

= const

1 j

= const

Настройки

пользователя

200

5,2

50 Гц

200

Гц

5,23,1

051

−

091

−

E 061 −E

041 −E071

−

081

−

071

−

126

Сигнал управления

U является входным для прямого координат-

ного преобразователя (ПКП), на выходе которого формируются три си-

нусоидальных напряжения управления

1У

, сдвинутые

относительно друг друга на угол

, с амплитудами, пропорцио-

нальными напряжению управления. Сигналы

1У

фор-

мируют фазные напряжения на выходе автономного инвертора напря-

жения (АИН).

Принцип действия системы частотно-регулируемого асинхронного

электропривода с положительной обратной связью по току заключается

в следующем. Предположим, что асинхронный двигатель работал на ха-

рактеристике 1 (рис. 4.26) с моментом на валу двигателя, равным

M .

Если момент на валу двигателя увеличится и станет равным

M , то

возрастет и ток каждой фазы статора двигателя

i ,

i , а следова-

тельно и сигнал

формирователя тока статора (ФТС). Увеличится

и корректирующее напряжение положительной обратной связи

кор

U ,

вычисляемое по выходному току

звеном с передаточной функцией

)1()(

км1км

pTRkpW

⋅

, (4.20)

где

км

– постоянная времени задержки контура тока.

Рис. 4.26. Механические характеристики электропривода (кривые 1, 2)

и результирующая характеристика – 3 при наличии положительной

обратной связи по току

С ростом корректирующего сигнала возрастет и сигнал управления

U , что приводит в конечном итоге к росту фазного напряжения

асинхронного двигателя и увеличению его критического момента, кото-

рый пропорционален квадрату фазного напряжения –

1К j

UM ≡ . Харак-

теристика 2 соответствует возросшему фазному напряжению

1ф

U . В ре-

зультате действия положительной обратной связи электропривод фор-

127

мирует механическую характеристику замкнутой системы 3, жесткость

которой определяется коэффициентом

км

k .

Для формирования сигнала положительной обратной связи по току

может использоваться модуль тока статора

I , активная составляющая

тока статора

Re I , ток

I в звене постоянного тока. В большинстве

преобразователей сигнал, пропорциональный мгновенному значению

тока статора двигателя, снимается с трех резистивных шунтов

, включенных в цепь переменного тока инвертора напряже-

ния (рис. 4.28).

Однако если через обмотки статора асинхронного двигателя не

протекают токи нулевой последовательности, то достаточно двух дат-

чиков тока, а ток в третьей фазе, например ,

можно определить через

токи фаз

)(

CAB

iii

−

, (4.21)

где

CBA

iii , , – мгновенные значения токов в фазах

Векторные диаграммы при скалярной

R -компенсации для случаев

идеального холостого хода и наличии нагрузки на валу двигателя изо-

бражены на рис. 4.27

хх1

ψ I≡

хх1

RI ⋅

хх1

I−

хх1

ψ I≡

хх1

RI ⋅

хх1

ψ I≡

хх1

RI ⋅

хх1

I−

хх1

I−

Рис. 4.27. Векторные диаграммы асинхронного двигателя

при скалярной IR-компенсации:

а – режим холостого хода;

б – при наличии нагрузки на валу двигателя

При скалярной компенсации меняется только модуль напряжения

обмотки статора асинхронного двигателя без изменения фазового

угла, что приводит к непостоянству векторов ЭДС

E и потокосцепле-

128

ния

ψ . Возможны дополнительные возмущения в системе, связанные

с изменением фазового угла вектора

ψ .

Несмотря на этот недостаток, разомкнутые структуры частотного

регулирования скорости на основе автономных инверторов напряжения

со скалярной

IR-компенсацией находят широкое применение в приводах

длительного режима работы с диапазоном регулирования 1

≤D : 30.

4.6.2. Частотное управление асинхронным электроприводом

с векторной IR-компенсацией

Если вектор напряжения

формируется векторным сложением

напряжения задания

и сигнала

км1

kRi ⋅⋅ , вводимого с целью компен-

сации падения напряжения в фазах

двигателя, то такое управ-

ление называют частотным управлением с векторной

IR-компенсацией.

Векторное сложение сигналов производится во временной области, то есть

суммируются сигналы переменного напряжения.

Функциональная схема векторного частотного управления с

IR-компенсацией приведена на рис. 4.28.

AДТ

ДТ

)АИН(

ПЧ

Рис. 4.28. Функциональная схема

частотного управления

асинхронным электроприводом с

векторной IR- компенсацией

ПКП

yx,

ба,

СВА ,,

ПЧН

π2

⋅

ЗИ

1км

τ,, Rk

1км

τ,, Rk

1км

τ,, Rk

В схеме (рис. 4.28) на выходе прямого координатного преобразова-

теля ПКП формируются три синусоидальных напряжения

, сдвинутые относительно друг друга на угол 32

, с амплитуда-

ми, пропорциональными задающему напряжению

U , и частотой f , оп-

ределяемой законом регулирования. Напряжения

сум-

мируются с сигналами

км1

kRi ⋅⋅ положительных компенсационных об-

ратных связей по току в соответствии с выражением

Рис. 4.28. Функциональная схема

частного управления асинхронным

электроприводом с векторной

IR-компенсацией

129

км1

зу

kRiUU

iii

⋅⋅+= , (4.22)

где

– вектор напряжения управления i-й фазой автономного инвер-

тора напряжения;

– вектор напряжения задания i-й фазы;

– ток i-

й фазы асинхронного двигателя.

Результирующие сигналы управления

формируют

фазные напряжения на выходе преобразователя частоты ПЧ. Векторные

диаграммы асинхронного двигателя при векторной

IR-компенсации

приведены на рис. 4.29.

При векторной

IR-компенсации векторы ЭДС

и потокосцепле-

ния

ψ остаются постоянными при изменении нагрузки, а модуль век-

тора напряжения

и его фазовый угол меняются. Как показали ис-

следования, постоянство вектора потокосцепления

ψ способствует ус-

тойчивой работе электропривода. В электроприводах с микропроцес-

сорным управлением векторная

IR-компенсация дополнительной на-

стройки, как правило, не требует, то есть при выборе такого закона ре-

гулирования настройка производится по заложенной в электропривод

программе автоматически.

хх1

1хх

RI ⋅

хх1

1хх

ψ I≡

хх1

RI ⋅

1хх1

ψψ =

I−

хх1

1хх

RI ⋅

хх1

1хх

ψ I≡

хх1

1хх

RI ⋅

хх1

1хх

ψ I≡

хх1

RI ⋅

1хх1

ψψ =

I−

хх1

RI ⋅

1хх1

ψψ =

I−

хх1

Рис. 4.29. Векторные диаграммы асинхронного двигателя при векторной

IR-компенсации:

а – режим холостого хода; б – при наличии нагрузки

на валу двигателя

Электромеханическая характеристика, определяющая зависимость

приведенного тока ротора от скольжения для режима неполной

IR-

компенсации определяется выражением

130

1н

2экв1

кн

экв1

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

⋅⋅

⋅

+⋅+

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

+±

∗μ

∗

fXs

, (4.23)

где

1км1экв1

RkRR ⋅−= > 0 – эквивалентное активное сопротивление цепи

обмотки статора;

н111

fff

∗

– относительная частота;

Н1

f – номи-

нальное значение частоты напряжения статора асинхронного двигателя;

– регулируемое значение частоты напряжение статора.

Ток статора

I через приведенный ток ротора

можно найти по

формуле [5]

sin2 ϕ⋅⋅⋅++= IIIII , (4.24)

где

кн

экв1

1кн

)(

sin

∗

⋅

=ϕ

. (4.25)

Так как регулирование скорости асинхронного двигателя произво-

дится изменением и напряжения обмотки статора, и частоты питающего

напряжения, то ток холостого хода

I можно найти в соответствии со

схемой замещения (рис. 4.23) по следующему уравнению:

1н1σн1

экв1

)(

∗∗

⋅+⋅+

fXfXR

. (4.26)

Механическая характеристика асинхронного двигателя для режима

неполной

IR-компенсации, при переменных значениях величины и час-

тоты напряжения питания, определяется выражением

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

⋅⋅

⋅

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

++⋅⋅

⋅⋅

∗

1μн

2экв1

экв1

кн0

fXs

RfXs

. (4.27)

При полной

IR-компенсации, когда 1

км

k , а 0

экв1

R , происходит

регулирование с законами класса

const

fE . Механическая харак-

теристика электропривода представляется выражением