Преобразователи частоты для регулируемого электропривода. Основные характеристики асинхронного двигателя при работе с номинальными частотой и напряжением. Основные принципы построения систем частотно-регулируемого электропривода, его динамические режимы.
Министерство образования Российской Федерации Омский государственный технический университет ОСНОВЫ ЧАСТОТНОГО УПРАВЛЕНИЯ АСИНХРОННЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ Шахов, канд. техн. наук, профессор кафедры «Автоматика и системы управления» ОМГУПС; К Основы частотного управления асинхронными двигателями: Учебное пособие. Приведены характеристики асинхронных двигателей с частотным управлением при различных режимах работы.Достижения последнего десятилетия в области силовой электроники и микропроцессорной техники привели к созданию мощных, надежных преобразователей частоты, позволяющих реализовать наиболее гибкий и энергетически выгодный способ регулирования скорости АД - изменением частоты питающего напряжения. Различают два типа преобразователей частоты: преобразователи с непосредственной связью сети и нагрузки и преобразователи со звеном постоянного тока. Обмотка ротора пересекается магнитным потоком с частотой ns = n1-n2, поэтому частота индуцируемой в ней э.д.с. s n p f2 = 60 = sf1. При заданной нагрузке режим работы АД (скорость, момент, ток, энергетические характеристики) однозначно определяется частотой и магнитным потоком (т.е. отношением напряжения к частоте) или частотой и током статора. Соответственно различают системы электропривода, формирующие сигналы задания частоты и напряжения или частоты и тока статора.
Введение
Применение автоматизированного электропривода позволяет значительно повысить эффективность технологических процессов в различных отраслях производства. Долгое время основным типом регулируемого электропривода оставался электропривод постоянного тока. В то же время в промышленности и энергетике наибольшее распространение получили асинхронные двигатели (АД) с короткозамкнутым ротором, обладающие по сравнению с двигателями постоянного тока рядом достоинств: - отсутствие скользящих контактов;
- хорошие динамические характеристики за счет малой инертности ротора.
Достижения последнего десятилетия в области силовой электроники и микропроцессорной техники привели к созданию мощных, надежных преобразователей частоты, позволяющих реализовать наиболее гибкий и энергетически выгодный способ регулирования скорости АД - изменением частоты питающего напряжения. В результате началось широкое внедрение частотно - регулируемого электропривода взамен нерегулируемого асинхронного электропривода и электропривода постоянного тока. Это обусловливает необходимость изучения основ частотного управления АД будущими специалистами в области силовой электротехники и промышленной электроники.
В учебном пособии кратко изложены принципы частотного управления, рассмотрены законы частотного регулирования в установившихся режимах и основы динамики частотно - регулируемого асинхронного электропривода. При анализе установившихся режимов работы электропривода используется компьютерная модель системы преобразователь частоты - асинхронный двигатель, разработанная на кафедре ЭСПП (секция ПЭ) ОМГТУ. В численных расчетах используются параметры схемы замещения двигателя 4А100/L4Y3: r1=1.716 Ом, x1=2.023 Ом, x0=61.472 Ом, r2/=1.358 Ом, x2/=3.586 Ом, sном=0.050.
3
1. Способы регулирования частоты вращения АД
Из выражения для угловой частоты вращения АД ? = ?1( ?s) = 2?f1 1?s) (1.1)
(
1 p следует, что существует три способа регулирования скорости: - изменением числа пар полюсов p;
- изменением скольжения s;
- изменением частоты питающей сети f1.
Для регулирования скорости изменением числа пар полюсов используются специальные многоскоростные АД с короткозамкнутым ротором. Изменение числа пар полюсов достигается за счет коммутации составных частей обмотки статора. Зная характер нагрузки можно выбрать такую схему включения обмоток, которая обеспечит требуемые скорость и максимальный момент АД. Нижний предел диапазона регулирования составляет обычно 500 об/мин. Количество пар полюсов может быть равно только целому числу, поэтому данный способ регулирования скорости является ступенчатым. С энергетической точки зрения способ является экономичным, однако необходимость секционирования обмоток ухудшает массогабаритные показатели и повышает стоимость самого двигателя.
Регулирование скорости изменением скольжения предполагает изменение жесткости механической характеристики АД при неизменной частоте f1. Для АД с короткозамкнутым р отором этот способ реализуется изменением величины напряжения, подводимого к двигателю. На рис. 1.1 приведены механические характеристики АД при регулировании напряжения, которые наглядно иллюстрируют особенности данного способа.
n2
1500
1250 0.6U1 0.8U1н U1н
1000
750
500
250
0 M 0 10 20 30 40 50 60
Рис. 1.1. Механические характеристики АД с регулируемым напряжением
4
Регулирование скорости осуществляется вниз от синхронной скорости ?1 , при этом растет скольжение, существенно снижаются максимальный момент и перегрузочная способность АД. Кроме того, с ростом скольжения пропорционально растут потери в цепи ротора. Поэтому применение данного способа ограничивается электроприводом малой мощности с небольшим диапазоном регулирования.
Частотное регулирование АД осуществляют изменением частоты напряжения подводимого к статору. Этот способ обеспечивает плавное регулирование скорости в широком диапазоне с хорошими энергетическими характеристиками. Возможность регулирования темпа изменения частоты позволяет обеспечить оптимальные режимы частотного пуска и торможения АД.
Технически частотное регулирование осуществляют посредством полупроводниковых преобразователей частоты (ПЧ) - устройств, преобразующих однофазное или трехфазное сетевое напряжение с частотой 50 Гц в переменное трехфазное напряжение с регулируемой частотой и величиной напряжения.
2. Преобразователи частоты для регулируемого электропривода
Различают два типа преобразователей частоты: преобразователи с непосредственной связью сети и нагрузки и преобразователи со звеном постоянного тока.
Преобразователи с непосредственной связью (НПЧ) строят на основе реверсивных управляемых выпрямителей. Силовая часть трехфазно -трехфазного НПЧ показана на рис. 2.1а. Каждая фаза АД связана с сетью через два встречно включенных выпрямителя, каждый из которых управляется в течение полупериода выходного напряжения НПЧ. В результате на выходе НПЧ формируется кривая выходного напряжения (рис.2.1б), состоящая из фрагментов сетевых напряжений.
Форма и величина выходного напряжения НПЧ регулируются изменением угла управления ?, отсчитываемого от моментов естественной коммутации тиристоров.
Можно отметить следующие особенности НПЧ: - однократное преобразование энергии, поступающей от сети; - возможность свободного обмена энергией между сетью и двигателем;
- большая установленная мощность силовых элементов;
- верхняя граница диапазона регулирования частоты составляет примерно 40% от частоты сети.
В силу этих особенностей НПЧ находят основное применение в тихоходном электроприводе большой мощности (приводы прокатных станов, шаровых мельниц и т.д.).
В ПЧ со звеном постоянного тока осуществляется двухкратное преобразование энергии: сначала сетевое напряжение преобразуется в постоянное, а затем постоянное напряжение посредством инвертора преобразуется в переменное напряжение (ток). В зависимости от типа инвертора различают ПЧ на основе автономного инвертора тока (АИТ) и ПЧ на основе автономного инвертора напряжения (АИН).
До появления нового поколения силовых транзисторов широко применялись ПЧ на основе тиристорных АИТ с узлами принудительной конденсаторной коммутации. Основным недостатком таких АИТ является чувствительность к изменению нагрузки. Инвертор тока не может работать на холостом ходу и не допускает резких изменений тока нагрузки. Кроме того, выходной ток АИТ имеет прямоугольно-ступенчатую форму, что ограничивает нижний предел регулирования частоты.
Схема силовой части ПЧ на основе АИН приведена на рис.2.2. Звено постоянного тока содержит выпрямитель В и емкостной фильтр С (в преобразователях средней и большой мощности используется LC фильтр). В качестве силовых элементов используются IGBT - транзисторы VT1 - VT6. Обратные диоды VD1 - VD6 предназначены для замыкания реактивного тока нагрузки. Если управление транзисторами в каждой стойке АИН (VT1, VT2 и т.д.) осуществляется в противофазе, то, благодаря двухсторонней проводимости плеч инвертора (VT1, VD1 и т.д.), форма выходного
6 напряжения не зависит от параметров нагрузки. Таким образом, АИН обладает свойствами источника напряжения. id
VT1 VD1 VT3 VD3 VT5 VD5
A B B C Ud
C VT2 VD2 VT4 VD4 VT6 VD6
ia ib ic a b c
Рис. 2.2. Преобразователь частоты на основе АИН
3. Формирование и регулирование выходного напряжения АИН
В частотно-регулируемом электроприводе необходимо при изменении частоты одновременно изменять и величину напряжения, подводимого к двигателю. При этом форма напряжения должна обеспечивать близкую к синусоидальной форму тока в фазах двигателя. Неблагоприятный гармонический состав фазного тока АД сопровождается дополнительными потерями, появлением паразитных моментов и высоким уровнем акустических шумов в двигателе.
Форма выходного напряжения АИН определяется используемым алгоритмом управления силовыми элементами инвертора. Простейший алгоритм управления с ? =180o приведен на рис. 2.3. Управляющие импульсы подаются на каждый транзистор в течение полупериода выходного напряжения. Управление транзисторами в каждой стойке производится в противофазе, а при переходе от одной стойки к другой - со сдвигом на треть периода. В результате фазное напряжение имеет форму пьедестала, а линейное - форму прямоугольного импульса длительностью равной трети периода.
Действующее значение первой гармоники фазного напряжения Uф1 = 0,45Ud , т.е для регулирования выходного напряжения необходимо изменять напряжение Ud на входе инвертора. В силу симметрии в спектре выходного напряжения отсутствуют четные гармоники и гармоники, кратные трем.
7
Uy1 ?t Uy2
Uy3 ?t ?t Uy4 ?t Uy5
Uy6 ?t ?t
Uab Ud ?t
Ua ? 2? 3 3
3Ud 3Ud ? 2? ?t
1
2
Рис. 2.3. Алгоритм управления АИН с ? =180o
Относительные амплитуды высших гармоник: Uф"k = Uф"k = 1, " k
U ф"1 где k - номер гармоники.
Например, 5-я гармоника составляет 20% от основной, 7-я гармоника - 14,4% и т.д. Поскольку АД в первом приближении можно рассматривать как фильтр нижних частот, такое распределение высших гармоник в спектре выходного напряжения является неблагоприятным. Соответственно, форма фазного тока существенно несинусоидальна и ухудшается по мере снижения частоты выходного напряжения. Оптимальной является форма напряжения, в спектре которого отсутствуют или значительно ослаблены гармоники, прилегающие к основной. Гармоники напряжения в высокочастотной части спектра не оказывают значительного влияния на форму тока, благодаря фильтрующим свойствам самого двигателя.
В современных ПЧ формирование и регулирование выходного напряжения АИН осуществляется методами широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Один из вариантов алгоритма управления с ШИМ по
8 синусоидальному закону приведен на рис. 3.2 [2]. Штриховкой выполнены импульсы управления, подчиняющиеся закону модуляции.
Uab
Ubc ?t
Uca ?t ?t Uy1 ?t Uy2 ?t Uy3 ?t Uy4 ?t Uy5 ?t Uy6
0 ? 2? ? ?t
3 3
Рис. 3.2. Алгоритм управления АИН с ШИМ по синусоидальному закону
Выходное (линейное) напряжение АИН представляет собой последовательность импульсов, длительность которых изменяется по синусоидальному закону. Регулирование величины напряжения осуществляется изменением длительности паузы на нуле в кривой напряжения с ШИМ. На практике для формирования алгоритма управления обычно используют специальные контроллеры ШИМ, в которых высокочастотное напряжение пилообразной формы сравнивается с модулирующим напряжением. Частота ШИМ, определяющая число импульсов за период выходного напряжения, может достигать 10-15 КГЦ.
На рис. 3.3 а, б для сравнения приведены кривые фазного тока АД при использовании алгоритмов управления с ? =180o и ШИМ по синусоидальному закону с числом импульсов выходного напряжения N=48.
а) б)
Рис. 3.3. Фазный ток АД при различных алгоритмах управления АИН
9
На рис. 3.4 приведены спектры выходного напряжения АИН с ? =180o(а) и ШИМ при N=48(б).
0.7 Uk 0.7 Uk
/
1
/
1
0.6 0.6
0.6
0.6
0.5 0.5
0.5
0.5
0.4 0.4
0.4
0.4
0.3 0.3
0.3
0.3
0.2 0.2
0.2
0.2
0.1 0.1
0.1
0.1
0 k
1 5 7 11 13 17 19 23 25 29 31 35 37 41 43 47
0 k
1 5 7 11 13 17 19 23 25 29 31 35 37 41 43 47 а) б
Рис. 3.4. Спектральный состав напряжения АД при различных алгоритмах управления АИН
Анализ приведенных зависимостей показывает, что улучшение формы тока при использовании ШИМ происходит за счет ослабления высших гармоник напряжения в низкочастотной части спектра. Число ослабленных гармоник определяется частотой ШИМ. Однако, повышение частоты коммутаций силовых элементов ведет к увеличению динамических потерь в АИН. Поэтому оптимальной является частота ШИМ, при которой обеспечиваются минимальные суммарные потери в системе инвертор-двигатель.
4. Основные характеристики АД при работе с номинальной частотой и напряжением
4.1. Принцип действия АД
На статоре АД размещена симметричная трехфазная обмотка, у которой оси фаз смещены в пространстве на 120o. Обмотка статора подключена к трехфазной симметричной системе напряжений, по обмоткам фаз протекают синусоидальные токи, сдвинутые во времени на треть периода. В результате образуется вращающееся магнитное поле, частота которого n1 = 60f1 . (4.1) p
Трехфазная короткозамкнутая обмотка ротора выполнена в виде «беличьей клетки ». Вращающееся магнитное поле пересекает витки обмотки ротора и индуцирует в них э.д.с., под действием которой в обмотках фаз ротора протекают токи. На проводники с током в магнитном поле действуют
10 электромагнитные силы. Совокупность этих сил создает электромагнитный момент, увлекающий ротор за вращающимся магнитным полем.
При равенстве электромагнитного момента и момента на валу, частота вращения ротора равна n2. Относительная разность частот вращения магнитного поля и ротора называется скольжением: s = n1 ? n2 . (4.2) n
1
Наличие скольжения - основная особенность асинхронной машины. В двигательном режиме 0 1 - генераторный режим торможения противовключением. Скольжение s = 0 соответствует режиму идеального холостого хода, а s =1 - режиму короткого замыкания.
Обмотка ротора пересекается магнитным потоком с частотой ns = n1 ?n2, поэтому частота индуцируемой в ней э.д.с. s n p f2 = 60 = sf1. (4.3)
4.2. Режим холостого хода АД
В режиме идеального холостого хода n1 = n2, s = 0 и ротор не оказывает влияние на процессы в двигателе. Если в первом приближении пренебречь потерями и потоком рассеяния, то фазу статора можно представить в виде идеальной катушки (рис 4.1 а,б)
1
U
0
Ф
Ф
I 0 I 0 0
1
1
1 Е1 х0
U
0
Е1 I 0
1 а) б) в) рис 4.1. Схема замещения (a), векторная диаграмма (б), вебер - амперная характеристика (в) АД в режиме холостого хода
Напряжение, подводимое к обмотке статора уравновешивается э.д.с. самоиндукции: U1 = E1 = 4,44KОБWF1Ф0 , (4.4) где Коб - обмоточный коэффициент;
1
11
1 - число витков обмотки статора; Ф0 - основной магнитный поток.
W
I
" ?
I
Отсюда следует, что магнитный поток определяется величиной и частотой напряжения: Ф0 = Сф f1 = Сф f1 . (4.5)
1
E
1
U
Ток двигателя в данном режиме является намагничивающим и определяется только потоком и магнитными свойствами магнитопровода, т.е. вебер-амперной характеристикой (рис. 4.1 в).
Эти два положения, касающиеся определения потока и тока намагничивания, являются основой для анализа процессов в реальных АД.
4.3. Процессы в АД под нагрузкой
Для анализа установившегося режима АД используют схему замещения и векторную диаграмму (рис 4.2 а, б).
r1 1 х1
" 2
I
2 х2 rmex r
"
1 E E2 х0
U
"
=
1
10
I а)
.
U
.
1 I1jx1
.
I r
1 1 -E1
.
.
.2 s2 r
"
I
"
?
2
I1 1
I0
.
1
-I2
.
.
Ф
0
." 2
.2 jx2
I
"
"
. .
E1=E2
" б)
Рис 4.2. Схема замещения (а) и векторная диаграмма (б) асинхронного двигателя
12
На схеме замещения сопротивление rmex = r2 1?s , определяет величину
" s нагрузки на валу. Сопротивления r ,x1 и r2,x2 учитывают электрические потери и потоки рассеяния Ф1s,Ф2s в обмотках статора и ротора. Сопротивление x0 учитывает действие основного магнитного потока Ф0, пересекающего обмотки статора и ротора. Основной поток наводит в обмотках статора и ротора приведенного АД э.д.с. E1 = E2.
Каждый из этих потоков индуцирует соответствующую э.д.с.
Электромагнитный момент АД
М = СМФ0I2 cos?2 = СМФ0I2a , (4.6)
" " где I2a - активная составляющая тока ротора Из схемы замещения
"
"
I2 =
"
из векторной диаграммы
E2 , ?r" ? x" )2 ? ?
2
2 s
? ?
? ?
(
2
r2
" cos?2 = s . ?r" ? x2 )2
2
?
?
?
(
?
?
?
"
2 s
Таким образом, выражение момента через скольжение имеет вид
M = СМФ0 (2 )E" (s2s)2 (4.7)
"
2
2 r
2
" " r x
Зависимость M(S) приведена на рис. 4.3,а. Учитывая, что ?= ?1(1? s) можно путем пересчета перейти от характеристики M(S) к механической характеристике АД (рис. 4.3б).
Отличительной особенностью АД является наличие максимального момента при некотором критическом значении скольжения sk . При увеличении нагрузки до s > sk двигатель теряет устойчивость и останавливается. Физически это объясняется тем, что с ростом скольжения цепь ротора приобретает все более индуктивный характер, увеличивается угол ?2, соответственно уменьшается активная составляющая тока ротора.
13
M ? Мкр ?1
а) S б) Мк M
S к
Рис 4.3. Зависимость момента от скольжения (а) и механическая характеристика АД (б)
Кроме того, с ростом нагрузки уменьшается и поток двигателя. Из векторной диаграммы видно, что чем больше ток I1, тем больше падения напряжений на сопротивлениях статора, тем меньше при заданном U1, э.д.с. E1, связанная с основным потоком.
Учитывая что E1 E2s 0 ф f1 ф f2
"
С
Ф = =
C
, откуда
" "
E2s = Cфf2Ф0 , получим другое выражение для момента: M = C" Ф2f r2 . r2 x2s
"
)
2
) (
2
" "
( м
0 2
Если двигатель работает при скольжениях s < sk
(4.8)
(на линейном участке механической характеристики), то можно принять, что x" s << r2 , тогда М = С"" Ф0f2 , (4.9)
"
2
2 м т.е. при малых скольжениях момент определяется магнитным потоком и частотой тока ротора.
5. Основные принципы построения систем частотно-регулируемого электропривода
Для управления АД принципиально можно воздействовать на величину, частоту и фазу напряжения статора. Частота напряжения определяет скорость вращения АД. Отношение напряжения к частоте задает магнитный поток двигателя. Требования к величине магнитного потока в статическом режиме определяются характером нагрузки и требованиями предъявляемыми к электроприводу (точность поддержания скорости, перегрузочная способность, экономичность и т.д.). При жестких требованиях к динамике электропривода необходимо поддерживать постоянство потока во время переходного процесса. В любом случае магнитный поток не должен превышать номинальный поток во избежание насыщения магнитопровода
14 машины. Важной особенностью АД является зависимость магнитного потока от нагрузки на валу. Зависимости напряжения от частоты, обеспечивающие соответствие потока двигателя характеру статической нагрузки называют законами частотного управления.
На выходе двигатель характеризуется двумя механическими величинами: моментом и угловой частотой вращения, которые связаны уравнением движения: d?
M ?Мн = Мдин = J dt , (5.1) где Мн - нагрузочный момент;
Мдин - динамический момент;
J - момент инерции, приведенный к валу двигателя.
Как правило, целью управления является угловая частота вращения или момент двигателя.
Таким образом, задачей частотно-регулируемого асинхронного электропривода является обеспечение заданной скорости (момента) двигателя при поддержании требуемого значения магнитного потока. В зависимости от области применения и дополнительных требований к электроприводу (например, экономичности) эта задача может быть решена в разомкнутой системе, в замкнутой системе по скорости, в замкнутой системе по магнитному потоку, в системе замкнутой как по скорости, так и по магнитному потоку.
При заданной нагрузке режим работы АД (скорость, момент, ток, энергетические характеристики) однозначно определяется частотой и магнитным потоком (т.е. отношением напряжения к частоте) или частотой и током статора. Соответственно различают системы электропривода, формирующие сигналы задания частоты и напряжения или частоты и тока статора. В первом случае ПЧ работает в режиме источника напряжения, во втором - в режиме источника тока (частотно - токовое управление, ЧТУ).
6. Основные способы частотного управления АД
6.1. Схема замещения АД при переменной частоте
Для анализа установившихся процессов в АД при переменной частоте используют схему замещения, приведенную на рис. 6.1 [1,7]. r1 I1 ?х1 I2 ?х2 ?
"
" r
"
2 ?
U
E
1 1 E0 ?х0 E2 I0
1
Рис. 6.1. Схема замещения АД при переменной частоте
15
В этой схеме индуктивные сопротивления являются функцией относительной частоты ? = f1 . (6.1) f
1ном
Степень нагрузки АД характеризуется абсолютным скольжением ? = f2 . (6.2) f
1ном
Введение этой величины связано с тем, что при переменной частоте скольжение s уже не определяет однозначно нагрузку АД, являясь еще и функцией частоты f1.
Учитывая, что f2 = sf1 получаем связь между ? и s: ? = s? = ?1 ? ?. (6.3) ?
1ном
Абсолютное скольжение ? в теории АД при переменной частоте играет ту же роль, что и относительное скольжение s при постоянной частоте, т.е. характеризует момент двигателя. Если пренебречь сопротивлением обмотки статора r , то ? однозначно определяет момент АД при любой частоте.
1
Относительная угловая частота вращения АД ?" = ? связана с ? и ?
1ном ? соотношением ? = ? ?". (6.4)
6.2. Закон частотного управления f = const
U
Простейший способ частотного управления заключается в изменении величины напряжения, подводимого к АД, пропорционально частоте: U1 = U1ном = const. f f
1 1ном
Данный закон не учитывает изменения нагрузки АД и, следовательно, может быть реализован в разомкнутой системе электропривода.
Уравнения, описывающие процессы в АД при f = const имеют вид: I1 ?2 ? I10 = 0
По полученным в результате решения уравнений (6.5) значениям токов
I1,I1o,I2 могут быть определены момент, угловая частота вращения, поток и другие величины, характеризующие работу двигателя.
"
? ? ?
16
Механические характеристики АД для режима частотного управления f = const приведены на рис. 6.2, а,б. Отсюда видно, что уменьшение частоты приводит к уменьшению максимального момента АД. Это объясняется возрастающим влиянием падения напряжения на активном сопротивлении статора, что приводит к уменьшению э.д.с. E1и E0, а значит - к уменьшению магнитного потока двигателя. Падение магнитного потока при данной частоте тем больше, чем больше абсолютное скольжение, т.е. нагрузка АД (рис. 6.3.).
U
а) б)
Рис. 6.2. Механические характеристики АД при управлении по закону U/f = const
Рис. 6.3. Зависимость потока от частоты при U/f = const
Кроме того, с уменьшением частоты снижается жесткость механических характеристик, что, в конечном итоге, приводит к уменьшению активной составляющей тока ротора.
Значительное снижение перегрузочной способности АД не позволяет использовать закон U/f = const при частотах менее 25-30 Гц в электроприводах с постоянным моментом нагрузки. Для расширения
17 диапазона регулирования необходимо при уменьшении частоты увеличивать отношение U1 /f1, чтобы поддерживать постоянным поток. На рис. 6.4, а приведена вольтчастотная характеристика, рассчитанная таким образом, чтобы максимальный момент АД при уменьшении частоты оставался равным номинальному максимальному моменту (рис. 6.4, б)
U1 220
200 180 160 140 120 100 80 60 40 20
0
f1
0 10 20 30 40 50 а) б)
Рис. 6.4. Вольтчастотная характеристика с повышенным отношением U1 /f1 (а) и соответствующие ей механические характеристики АД (б)
Применение ВЧХ с повышенным значением U1 /f1 позволяет значительно расширить диапазон регулирования за счет увеличения максимального момента АД на низких частотах. Недостатком данного способа является возрастание магнитного потока на низких частотах при малых нагрузках (рис. 6.5, а). В режиме близком к холостому ходу ток двигателя соизмерим с номинальным током (рис. 6.5, б), при этом магнитопровод АД оказывается сильно насыщенным, соответственно возрастают потери.
9 I1 8
7 bnom
6 0.5bnom
5 0.1bnom
4
3
2
1 a 0.4 0.6 0.8 1.0
0.2 а) б)
Рис. 6.5. Зависимость потока (а) и тока двигателя (б) от частоты при использовании ВЧХ с повышенным значением U1 /f1.
18
Тем не менее, такой подход широко используется на практике. Если заранее известен характер нагрузки, можно подобрать такую ВЧХ, которая обеспечит не только устойчивую, но и экономичную работу двигателя.
6.3. Законы частотного управления с постоянством магнитного потока.
Для стабилизации полного потока статора при изменении нагрузки напряжение U1 необходимо регулировать так, чтобы скомпенсировать влияние на величину э.д.с. E1 падения напряжения на активном сопротивлении статора. В замкнутой системе электропривода, построенной на таком принципе компенсации выполняется условие ?1 = C? E1 = const. 1 f
Уравнения, описывающие процессы в АД при ?1 = const, имеют вид: I1 I2? ? I1o =0 ? ?1 ? I1 1 = E1ном? ?
?
?
?
?
? r
U
?
? j?x1 I1o j?xo = E1ном? ? (6.6)
?
?
?
I
1
?
?
?
?
? ?
I2?r" ? j?x2 ? I1o j?xo =0?
?
"
?
"
2
Характеристики АД, построенные по результатам решения уравнений (6.6) приведены на рис. 6.6 - 6.8.
Вольтчастотные характеристики (рис. 6.6.) представляют собой семейство прямых, каждая из которых соответствует заданному скольжению. Область двигательного режима находится справа от линии ? =?.
Компенсация падения напряжения I1 1 достигается за счет повышения напряжения с возрастанием нагрузки. Поэтому в верхнем диапазоне частот при больших нагрузках строгое выполнение закона ?1 = const в системе ПЧ-АД оказывается невозможным (напомним, что максимальное значение фазного напряжения ПЧ со звеном постоянного тока U1 = 0,45Ud). r
U1 240 220 200 180 160 140 120 100
80 60 40 20 0
a=b
0.1bnom 0.5bnom bnom
1.2bnom f1
0 10 20 30 40 50 60
Рис. 6.6. Вольтчастотные характеристики для закона частотного управления ?1 = const
19
Благодаря постоянству потока максимальный момент АД не зависит от частоты (рис. 6.7,а), а момент двигателя однозначно определяется абсолютным скольжением при любой частоте (рис. 6.7., б), т.е. механические характеристики при всех частотах обладают одинаковой жесткостью.
a) б)
Рис. 6.7. Механические характеристики АД при?1 = const
Важной особенностью, характеризующей работу АД в рассматриваемом режиме, является постоянство тока статора во всем диапазоне регулирования частоты при фиксированной нагрузке (рис. 6.8., а).
11 I1
10 1.2bnom 9 bnom
8
7
6 0.5bnom 5
4 3 2
1
0 а
10 I1 9
8 7
6 a=0...1 5
4 3 2
1
0 b
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 а) б)
Рис. 6.8. Электромеханические характеристики АД при ?1 = const
Соответственно, имеет место однозначная связь между током статора и абсолютным скольжением во всем диапазоне частот (рис. 6.8., б)
Применение закона ?1 = const обеспечивает постоянство максимального момента АД при изменении частоты, однако при увеличении
20 нагрузки основной поток уменьшается так же, как и при номинальной частоте. Для поддержания ?o = const необходимо в замкнутой системе компенсировать падение напряжений на элементах 1 и ?x1 схемы замещения АД при частотном управлении. r
? ? x
Уравнения, описывающие процессы в АД при ?o = const имеют вид: ?
?
I1 I2 = ? j E0ном ? o
I1(r j?x1 )?U1 = ? ?0ном??
?
?
1
? ?
E
?
?
?
I2? 2 ? j?x2 ? = ?E0ном? ?
? ?
? ? ?
" " r
? ?
(6.7)
Характеристики АД для рассматриваемого режима качественно повторяют характеристики, полученные ранее для режима?1 = const. Для компенсации падения напряжения на сопротивлении ?x1 необходимо дополнительно повышать НАПРЯЖЕНИЕU1. Поэтому диапазон частот и нагрузок, при которых выполняется закон ?o = const сужается по сравнению с законом?1 = const. Характер изменения этого диапазона показан на рис. 6.9. Сплошными линиями выделены те фрагменты характеристик U1(?,?), для которых данный закон реализуем.
U1
260
240
U н
200
160
120
80
a=1.0 a=0.8
a=0.6 a=0.4 a=0.2
40 a=b b 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2
Рис. 6.9. Зависимость U1(?,?) при ?o = const
Жесткость механических характеристик (рис. 6.10.) и максимальный момент АД значительно возрастают. Для рассматриваемого в качестве примера двигателя 4А100L4У3 максимальный момент увеличивается в 1,2 раза по сравнению с режимом ?1 = const и в 1,8 раза по сравнению с номинальным режимом. Благодаря этим достоинствам закон ?0 = const
21 обеспечивает не только оптимальное использование магнитопровода машины, но и высокую статическую и динамическую точность.
а) б)
Рис. 6.10. Механические характеристики АД при ?o = const
Электромеханические характеристики, связывающие ток статора, абсолютное скольжение и поток (рис. 6.11.) могут быть использованы при построении замкнутых систем частотного управления [5]. Например, система регулирования, в которой поддерживаются постоянными абсолютное скольжение и основной поток, обеспечивает постоянство тока статора и момента АД во всем диапазоне регулирования. Если соответствующим образом регулировать поток и ток статора, то обеспечивается стабилизация абсолютного скольжения. Наконец, требуемый поток может быть получен при воздействии на ток статора и абсолютное скольжение.
10 I1
9 Фоном 8
7 0.8Фоном 6
5 0.6Фоном
4
3 a=0...1
2
1
0 b 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2
Рис. 6.11. Электромеханические характеристики АД при ?o = const
Если путем регулирования напряжения U1 напряжений на элементах r ,?x2 и ?x2 по
"
1
компенсировать падения условию E2 = const, то f
1
22 получим режим частотного управления с постоянством полного потокосцепления ротора ?2 = const. В этом случае механические характеристики АД аналогичны характеристикам двигателя постоянного тока с независимым возбуждением и момент двигателя не имеет максимума. На рис. 6.12. для сравнения приведены механические характеристики АД для всех рассмотренных выше режимов частотного управления с постоянством магнитного потока.
а) б)
Рис. 6.12. Механические характеристики АД для законов частотного управления с постоянством потока.
6.4. Системы частотного управления с регулируемым скольжением
В системах электропривода с повышенными требованиями к динамике, для ограничения ударных нагрузок необходимо регулировать момент двигателя. В ряде случаев требуется поддерживать заданный момент в широком диапазоне, вплоть до стопорения рабочего органа. Однако непосредственное измерение электромагнитного момента АД затруднено, поэтому на практике регулирование момента осуществляют косвенно, через более доступные для измерения величины.
Из выражения (4.9) для момента АД, учитывая, что ? = f2 /f1ном получим: M = С?? Ф0?, (6.8)
2 м т.е для управления моментом можно воздействовать на поток или на абсолютное скольжение либо на обе эти величины одновременно. Существует два варианта воздействия на величину ?. Во-первых, можно изменять величину напряжения U1, при этом изменяется жесткость механических характеристик и следовательно - скольжение при заданном моменте нагрузки. Во-вторых, можно воздействовать на частоту f1. Тогда при известной частоте вращения ротора абсолютное скольжение определяется из (6.4): ? = ? ???.
23
Системы электропривода, регулируется при условии в которых скольжение стабилизировано или ? < ?кр обеспечивают высокое быстродействие без риска потери устойчивости, а также точное регулирование момента в широком диапазоне скоростей вплоть до неподвижного состояния двигателя [5].
Заданное значение момента может быть получено при различных сочетаниях потока и абсолютного скольжения. Поскольку с потоком связаны потери в стали, а со скольжением- коэффициент мощности и потери в обмотках АД, для каждого значения момента существует оптимальное скольжение, при котором суммарные потери минимальны.
Таким образом, в системах с регулируемым скольжением могут быть реализованы эффективные в энергетическом отношении режимы работы двигателя.
Примером закона частотного управления, обеспечивающим стабилизацию скольжения путем воздействия на величину напряжения, является закон, предложенный академиком М.П. Костенко [1]. Закон получен из условия постоянства перегрузочной способности АД при изменении частоты и момента нагрузки: ? = Ммах = const.
М ном
В качестве допущений принято, что r = 0 и магнитная цепь АД
1 ненасыщенна. Тогда, учитывая, что максимальный момент АД
Ммах = СФФ0 = Сф U1 , (6.9) 1
2
2
2 f получим Ммах = U2 /f2 . (6.10)
2 2
1 1
М мах.ном U1ном /f1ном Из условия постоянства при изменении частоты: ?
Ммах.ном = Ммах = const. (6.11) ном
М М
В итоге, из (6.10) и (6.11) получим: U1 = ? М . (6.12) 1ном ном
U М
Данный закон обеспечивает режим работы АД с практически неизмtrial абсолютным скольжением. Действительно, при принятых допущениях и ? < ?кр
М = С??Ф2 = С???U1 ?2, (6.13)
?
?
0 f
? 1 ?
24
Мном = С??НОМФ0.ном = С??ном?U1ном ?2, (6.14) 1ном f
? ?
? ?
? ?
2 откуда при ? = ?ном = const получим (6.12).
Действие закона иллюстрируется рис. 6.13. При уменьшении момента нагрузки от М1 до М2 напряжение, подаваемое на АД в соответствии с (6.12) уменьшается от U1 до U2, соответственно снижаются магнитный поток, максимальный момент и жесткость механической характеристики. Рабочая точка перемещается из т. А в т. В. Поскольку ? = ?? , постоянство ?
1ном абсолютного скольжения означает и постоянство частоты вращения АД. n2 n2(m)
Рис. 6.13. Механическая характеристика АД при использовании закона Костенко
Важной особенностью данного закона управления является то, что при уменьшении нагрузки уменьшается и поток, а следовательно, уменьшаются потери и потребление энергии из сети. Благодаря этому энергетические характеристики АД при изменении частоты и нагрузки остаются практически такими же, что и в номинальном режиме.
Вообще, для каждого значения момента нагрузки можно подобрать такое напряжение U1, при котором ток статора, а значит и потери АД будут минимальными. Физически это объясняется тем, что составляющие тока статора I1 = I10 I? по-разному зависят от U1.Ток намагничивания изменяется пропорционально U1, а ток ротора - обратно пропорционально (чем меньше U1, тем больше скольжение, тем больше э.д.с и ток ротора). Следовательно, при некотором значении напряжения и M=const ток статора должен иметь минимум. Эта особенность используется на практике для реализации энергосберегающего режима работы частотно-регулируемого электропривода [3]. На рис. 6.14 а,б приведены зависимости тока статора от напряжения при различных значениях момента и частоты. Отсюда видно, что экстремумы зависимостей I1(U1) становятся более выраженными при уменьшении момента (f1=const) и частоты (М=const). То есть применение
? ?
2
?
25 энергосберегающего режима дает тем больший эффект, чем меньше нагрузка двигателя и частота питающего напряжения.
12 I1,A
10 0.5Мном
8 0.4Мно
50 Гц
0.6Мном
I1,A 9
8 0.4Мном
7
0.3Мном
6
30 Гц
0.5Мном
0.3Мном
6 0.2Мном
4
2 0.1Мном
0
5 0.2Мном
4 0.1Мном
3
2
1
U1,B 0 U1,В
0 40 80 120 160 200 240 280 a)
0 40 80 120 160 200 240 280 б)
Рис. 6.14. Зависимость тока статора от напряжения при изменении момента и частоты
Применение закона Костенко ограничивается некоторым диапазоном изменения момента нагрузки, который обусловлен сильной зависимостью магнитного потока от момента: Ф0ном = См Мном .
0
Ф
М
В области нагрузок, близких к номинальной, наброс нагрузки приводит к насыщению магнитной системы АД. В области малых моментов при набросе нагрузки двигатель может потерять устойчивость, так как магнитный поток (а следовательно и максимальный момент) не могут измениться мгновенно.
Для обеспечения высокого качества переходных процессов потокосцепление АД обычно поддерживают неизменным или регулируют в сравнительно узких пределах для улучшения энергетических характеристик электропривода. Поэтому для управления моментом используют, как правило, замкнутые системы, в которых предусмотрена возможность регулирования абсолютного скольжения с воздействием на частоту. Один из наиболее распространенных способов построения такой системы состоит в организации двух взаимосвязанных контуров регулирования, один из которых предназначен для стабилизации потока, а другой обеспечивает заданное значение скорости (момента). На входе системы задается частота вращения двигателя ?*, которая сравнивается с фактической частотой вращения ?. Величина сигнала рассогласования ?? = ?* ?? определяет абсолютное скольжение ?. Далее определяется частота напряжения, подаваемого на АД: ? = ? ??.
26
Одновременно, сигнал, пропорциональный ? поступает в контур регулирования тока. Здесь фактическое значение тока I1 сравнивается с выходным сигналом функционального преобразователя, реализующего зависимость I1(?), показанную на рис. 6.11. Поскольку эта зависимость получена из условия постоянства потока при любых частотах, ее реализация обеспечивает стабилизацию потокосцепления АД при изменении нагрузки. Если выполнить функциональный преобразователь таким образом, чтобы каждому значению момента соответствовало минимальное значение тока статора, система электропривода будет обладать оптимальными энергетическими характеристиками.
Регулирование скольжения с воздействием на частоту может быть использовано для реализации режима частотно-регулируемого электропривода с постоянством мощности. Характерным примером использования данного закона частотного регулирования является тяговый электропривод.
2. Зажирко В.Н., Костюк В.А. Формирование алгоритма управления и режимы работы низкочастотного преобразователя с широтно-импульсной модуляцией. // Техническая электродинамика. 1988. №14. с. 53-58.
3. Ильинский Н.Ф., Козаченко В.Ф. Общий курс электропривода: Учебник для вузов. - М.: Энергоатомиздат, 1992.
4. Ключев В.И. Теория электропривода: Учебник для вузов. - М.: Энергоатомиздат, 1985.
5. Мэрфи Дж. Тиристорное управление двигателями переменного тока: Пер. с англ. - М.: Энергия, 1979.
6. Петров Л.П. Управление пуском и торможением асинхронных двигателей. - М.: Энергоатомиздат, 1981.
Введение…………………………………………………………………………..3 1. Способы регулирования частоты вращения АД.............................................4 2. Преобразователи частоты для регулируемого электропривода……………5 3. Формирование и регулирование выходного напряжения АИН…………....7 4. Основные характеристики АД при работе с номинальными частотой и напряжением………………………………………………………………….10 4.1. Принцип действия АД…………………………………………………..10 4.2. Режим холостого хода АД……………………………………………...11 4.3. Процессы в АД под нагрузкой……………………………………….....12
5. Основные принципы построения систем частотно-регулируемого электропривода…………………………………………………………….…14
6. Основные способы частотного управления АД……………………….……15 6.1. Схема замещения АД при переменной частоте……………………….15 6.2. Закон частотного управления U/f=const……………………………......16 6.3 Закон частотного управления с постоянством магнитного потока…...19 6.4. Системы частотного управления с регулируемым скольжением…….23
7. Динамические режимы работы частотно-регулируемого электропривода.28 8. Векторное управление асинхронным электроприводом…………………...30 9. Основные программируемые параметры преобразователей частоты……..33 Список литературы……………………………………………………………....38
39
Вы можете ЗАГРУЗИТЬ и ПОВЫСИТЬ уникальность своей работы
