2. 4. К ерування швидкістю АД у системах із перетворювачем частоти (ПЧ) Схема

(ПЧ)
Схема вмикання АД та характеристики
Частотний спосіб є одним із найбільш

перспективних і широко застосовуваних нині способів регулювання швидкості АД.
Принцип його полягає в тому, що, змінюючи частоту f1 живильної АД напруги, можливо згідно, з виразом

змінювати його синхронну швидкість,
отримуючи тим самим різноманітні штучні характеристики.

Цей спосіб забезпечує плавне регулювання в широкому діапазоні, отримані характеристики мають високу жорсткість. Частотний спосіб вирізняється ще однією дуже важливою особливістю: при збільшенні (регулюванні) швидкості АД не відбувається збільшення його ковзання, як це відбувається, наприклад, при реостатному регулюванні. Тому при цьому способі регулювання затрати ковзання виявляються невеликими, в зв’язку з чим частотний спосіб найбільш економічний.

роботи – коефіцієнтів потужності, ККД, перевантажувальної можливості – одночасно зі

зміною частоти напруги живлення необхідно змінювати і значення напруги. Закон зміни напруги при цьому залежить від характеру моменту навантаження.
При виборі співвідношення між частотою та напругою, яка підводиться до статора АД, часто виходять із умови збереження його перевантажувальної можливості λ, яка визначається співвідношенням критичного моменту двигуна Мк до моменту навантаження Мс :

(2.3)

Якщо знехтувати активним опором статора і врахувати, що хк ~ f1, ω0 ~ f1,
то вираз ( 2.3) можна записати так :

(2.4)

де Мсі, Мск – моменти навантаження при швидкостях АД,
відповідних частотам f1i та f1k.

швидкості АД:
(2.6)
Та допомогою виразу (2.6) можливо отримати окремі

закони зміни напруги і частоти при різних залежностях моменту навантаження Мс від швидкості:
При постійному моменті навантаження Мс = соnst :

(2.8)

При моменті навантаження, обернено пропорційному швидкості :

(2.9)

На рис.2.6,а наведені механічні характеристики АД при виконанні
співвідношення ( 2.7).

АД постійний, що забезпечує незмінну перевантажувальну можливість двигуна.
При частотах, вищих

за номінальну (f1i > f1ном), коли за технічними умовами напруга на статорі не може бути підвищена понад номінальну, критичний момент АД знижується.
Наведені вище висновки і характеристики отримані при нехтуванні активним опором статора. Це припущення мало впливає при великій (близькій або вище від номінальної) частоті, в той час як при малих частотах воно впливає на характеристики ЕП. Із графіків (рис.2.6,б) видно, що при невеликих частотах відбулося зниження критичного моменту АД. Причина цього полягає в зменшенні магнітного потоку АД при низьких частотах унаслідок впливу активного опору статора, викликаючого внаслідок падіння напруги на R1 зменшення ЕРС АД. Для компенсації цього впливу необхідно зі зменшенням частоти зменшувати напругу в меншому ступені, ніж це передбачено співвідношенням (2.7).

Спрощена схема при частотному керуванні ЕП зображена на рис.2.7.

частоти (ПЧ) і напруги, на вхід якого подається стандартна напруга

мережі u1 (220, 380В та ін.) промислової частоти f1 = 50Гц, а з його виходу знімається змінна напруга uрег регулюючої частоти fрег, значення яких знаходяться між собою у відповідних співвідношеннях (2.7 – 2.9).
Регулювання вихідної частоти і напруги перетворювача здійснюється за допомогою сигналу керування, зміна якого визначає остаточно зміну швидкості АД.
На рис.2.7 у якості регульованого АД показаний АД із КЗ ротором, який звичайно і використовується в цій системі ЕП.

основною й найбільш складною частиною ЕП з частотним керуванням АД,

а також СД.
Перетворювач частоти здійснює перетворення синусоїдальної частоти в напругу на виводах двигунів змінної частоти з метою керування роботою привідних машин шляхом впливу на частоту напруги двигуна.
Отже, ПЧ виконує одночасно дві функції:
Енергетична функція живлення АД;
Інформаційна функція – керування робочою машиною або її елементами.
Керування робочою машиною здійснюється зміною однієї з двох якісно різних змінних стану на вала двигуна:
Кута повороту валу або його похідної – кутової швидкості;
Моменту, який розвиває двигун.
Одна з цих змінних задається впливами керування і відтворює його; друга, як правило, залежить від навантаження машини.
Для виконання своїх функцій у перетворювачах частоти здійснюється керування не тільки частотою, але й амплітудою напруги (співвідношення між якими ми розглянули вище). Дві ці функції виконуються шляхом квантування в часі напруги або струму.

Таким чином, вентильні ПЧ і приводи з частотним керуванням у цілому представляють квазібезперервну систему.
Квазібезперервною системою є така система передачі й перетворення енергії та інформації, в якій одна безперервна величина перетворюється в іншу безперервну вихідну величину шляхом квантування проміжкових змінних стану в часі.

побудованих на контактних або безконтактних, переважно транзисторних і тиристорних, вентилів-ключів.
У

ПЧ перетворюються 5 основних видів КВК:
Перетворювачі періодичного струму в постійний – КВК випрямлення;
Перетворювачі постійного струму в періодичний – КВК інвертування;
Подвійні перетворювачі – періодичного струму в постійний і постійного в періодичний – обертові КВК;
Перетворювачі енергії однієї частоти безпосередньо в енергію іншої частоти;
Перетворювачі постійної напруги в постійну, яка змінюється часо-імпульсним регулюванням за допомогою вентильних перервачів.
У повній системі ЕП із частотним керуванням можливо виділити наступні енергетичні структурні агрегати, які виконують свої вузькі самостійні функції:
Випрямлячі, некеровані і керовані, та побудовані на їх базі оборотні й реверсивні перетворювачі;
Безпосередні перетворювачі;
Автономні інвертори.
На рис.2.8 показані спрощені структури основних видів перетворювачів частоти, які знайшли застосування в ЕП. Основним фактором, що визначає структуру ПЧ, є спосіб регулювання напруги.

a)

б)

Рис.2.8. Структури ПЧ

перетворення періодичної напруги частоти мережі fм у періодичну напругу керованої

частоти f1 (БПЧ, рис.2.8,а);
Дволанкові перетворювачі, в яких періодична напруга спочатку випрямляється, а потім інвертується (рис.2.8,б-г).
Основне використання знайшли ПЧ другого класу, необхідним елементом яких є випрямляч.
Використовуються два види ПЧ другого класу, які відрізняються способом формування і регулювання напруги:
Із некерованим випрямлячем НКВ;
Із керованим випрямлячем КВ.
У ПЧ із КВ регулювання амплітуди напруги здійснюється випрямлячем (сигнал xu), а регулювання частоти (сигнал xf) і формування хвиль напруги – інвертором (рис.2.8,б).
У ПЧ із НКВ використовуються дві можливості. В деяких випадках випрямлена напруга регулюється за допомогою тиристорного перервача (ТП) зміною шпаруватості (відносної тривалості імпульсів), вирізаних із випрямленої напруги, й після згладжування фільтром подається на автономний інвертор, як і у випадку з КВ (рис.2.8,в).
Другий спосіб – спосіб керування амплітудою напруги, її частотою та формуванням хвилі в самому інверторі (рис.2.8,г).
Відомі різні способи розв'язання цієї задачі, основним із них є спосіб широтно-імпульсної модуляції випрямленої постійної напруги (ШІМ).

мережею та автономні.
В інверторах, ведених мережею, – комутація струму з

вентиля на вентиль забезпечується напругою змінного струму джерела живлення.
В автономних інверторах – для комутації струму використовуються допоміжні елементи – конденсатори та котушки індуктивності.
Основні принципи частотного керування ЕП
Кутова швидкість регулюється зміною частоти напруги на статорі.
Потік двигуна регулюється зміною амплітуди напруги.
Добуток амплітуди напруги на його період, пропорційний повному потоку при холостому русі.
Для підтримки постійності потоку при зміні частоти необхідно компенсувати падіння напруги на активних опорах статора.
Для отримання максимально можливого моменту двигуна необхідно підтримувати постійним корисний потік двигуна.
Завдяки складному взаємозв'язку змінних величин ці принципи не можуть бути реалізовані в чистому вигляді.
Практична реалізація частотного регулювання повинна забезпечити найкращі експлуатаційні техніко-економічні характеристики ЕП.
В ЕП із частотним керуванням частіше використовуються автономні інвертори.

джерело напруги. Якщо АІН живиться від керованого випрямляча, то на

виході випрямляча для цього встановлюється конденсатор великої ємності. В результаті АІН має жорстку зовнішню характеристику, тобто зі зміною струму навантаження напруга АІН практично не змінюється. Тому при використанні АІН керованими впливами на АД є частота і напруга.
Автономні інвертори струму (АІС) мають властивості джерела струму, для чого їх живлення здійснюється від джерела струму. При використанні в якості джерела живлення керованого випрямляча на його вході для надання йому такої властивості встановлюється дросель із великою індуктивністю. При використанні АІС керуючими впливами на АД є частота і струм статора.
Застосування АІ
Кожен із видів АІ має в частотному керуванні АЕП свою сферу застосування:
АІН – їх перевага полягає у незалежності вихідної напруги від частоти і моменту навантаження, що спрощує формування необхідних законів частотного регулювання. Використовують у випадках, коли потрібна постійність напруги.
АІС – використовуються в ЕП із ПЧ, працюючих із частими перехідними процесами і у випадках, коли потрібне гальмування з рекуперацією (віддачею) енергії в мережу. Для цього керований випрямляч переводиться в інверторний режим та при збереженні напрямку випрямленого струму енергія рекуперується в мережу. В цьому полягає перевага АІС перед АІН, для якого за необхідності рекуперації енергії в мережу повинен бути використаний допоміжний ведений мережею інвертор, підключений паралельно керованому випрямлячу.