СКАЛЯРНОЕ УПРАВЛЕНИЕ ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМОГО АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА

либо частоты f1 и напряжения U1, либо частоты f1 и

тока I1 статорной обмотки. Первый способ управления принято трактовать как частотное управление, второй – как частотно-токовое управление

Скалярный принцип частотного управления является наиболее распространенным в асинхронном электроприводе. Ему свойственна техническая простота измерения и регулирования переменных АД, а также возможность построения разомкнутых систем управления скоростью

Недостаток :

трудность реализации желаемых законов регулирования скорости и момента АД в динамических режимах

Скалярное частотно-токовое управление АД характеризуется малым критическим скольжением и постоянством критического момента при постоянстве питающего АД тока и изменении его частоты

нагрузки (скольжения) резко падает магнитный поток АД и для обеспечения

желаемых перегрузочных способностей АД по моменту потребуется заметное превышение номинальных значений напряжения питания и тока статора

Разомкнутые системы управления

При невысокой точности и ограниченном диапазоне регулирования скорости АД наиболее целесообразным является его частотное управление в разомкнутой системе электропривода

возможных колебаний напряжения его питающей сети в преобразователях частоты, как

источниках напряжения, принято использовать внутренние контуры стабилизации выходного напряжения преобразователя

Для сохранения постоянства перегрузочной способности АД по моменту в функциональном блоке UF предусматривается такое соотношение между напряжениями задания частоты uf и напряжения uu на выходе ПЧ, при котором обеспечивается компенсация падения напряжения на активном сопротивлении обмоток статора. Теоретически это соотношение характеризуется нелинейной функцией, когда uu снижается в меньшей степени, чем uf

Для большинства серийных преобразователей частоты эта функция линеаризуется выбором в статической характеристике блока UF двух базовых координат: uu1 при uf1 и uu0 при uf = 0 . Первая координата определяет задание минимального значения частоты f1 и соответствующего ему напряжения U1 на выходе преобразователя UZF, при которых еще сохраняется постоянство соотношений U1/f1 = U1.н / f1.н. Для АД общего назначения при диапазоне регулирования скорости в разомкнутой системе частотного управления до 8 :1 значение минимальной частоты выбирается в пределах (0,3 – 0,4) f1н

режиме динамического торможения) из условий ограничения тока статора на уровне

(0,6 – 0,7) I1н. При известном активном сопротивлении статорной обмотки АД это соответствует установке выходного напряжения преобразователя частоты при uf = 0 на уровне U1 ≅ (0,6 – 0,7) I1н R1

Реально наименьшее значение выходной частоты преобразователя и соответствующее ему значение uf полезно выбирать из условия f1min ≅ ω0н рsc /2π , при котором пусковой момент АД будет близок моменту сил сопротивления на валу двигателя.

sc - скольжение АД при его статической нагрузке.

При вентиляторной нагрузке на валу АД, для которой Мс ≡ ω2, соотношение между uf и uu должно обеспечивать закон управления близкий к постоянству U1/ f12 (пунктир)

Для нагрузки с постоянной мощностью соотношение между uf и uu должно обеспечивать постоянство соотношения U12/f1 (завышение установленной мощности преобразователя частоты пропорционально

.

выше соотношениями U1/f1 практически обеспечивает сохранение номинальной перегрузочной способности АД

в диапазоне изменения частоты не более (8−10):1 при постоянной нагрузке и (10−25):1 при вентиляторной

Недостатком разомкнутой системы частотного управления является и отсутствие ограничений от возможных перегрузок по току преобразователя и двигателя.

Замкнутые системы частотного управления

Формирование требуемых статических и динамических свойств асинхронного частотно-регулируемого электропривода возможно лишь в замкнутой системе регулирования его координат

Входными сигналами датчиков U являются переменные АД, как доступные для непосредственного их измерения, так и определяемые расчетным путем с помощью математической модели АД.

каждого из контуров обратных связей и их влияние на свойства

электропривода

Для защиты преобразователя частоты и двигателя от перегрузок по току используется режим его ограничения с помощью устройства токовой отсечки.

А1 по действующему значению тока статора на переменные и механическую

характеристику АД поясняет рис

Предел увеличения к1 ограничен условиями устойчивости замкнутой системы управления и допустимыми значениями потока намагничивания и напряжения питания АД

статора , то регулирование скорости будет выполняться при постоянстве потокосцепления

статора

обеспечение той же перегрузочной способности АД по моменту, что и при обратной связи по полному току, потребует меньшей доли компенсации падения напряжения в статорной цепи и, соответственно, меньшего запаса по выходному напряжению преобразователя частоты

В системе с обратными связями по току возможна реализация механических характеристик АД с повышенной перегрузочной способностью по моменту и жесткостью, близкой к естественной в диапазоне регулирования скорости вниз от номинальной при постоянной статической нагрузке до 7 : 1

Влияние положительной обратной связи по току с пропорциональным коэффициентом усиления к2 устройства А2 связано с одновременным воздействием на выходные частоту и напряжение преобразователя UZF

валу М1, М2 соответственно увеличиваются скорости идеального холостого хода

АД (ω01 , ω02 ), обеспечивая тем самым лишь стабилизацию скорости АД. За счет одновременного и пропорционального частоте увеличения напряжения питания АД при Мс = const сохраняется постоянство и перегрузочной способности АД по моменту (Мк ≅ const).

и А2, за счет стабилизации скорости последним, заметно повышает жесткость

механических характеристик АД и при постоянной статической нагрузке увеличивает диапазон регулирования скорости до 10 : 1

За счет поступающего на сумматор ∑1 сигнала отрицательной обратной связи по току статора совместно со стабилизацией тока происходит снижение его частоты и, соответственно, скорости идеального холостого хода АД. Тем самым обеспечивается постоянство магнитного потока, абсолютного скольжения и в итоге момента двигателя. (жирным пунктиром условно показана линия 2 механической характеристики АД в зоне работы отсечки при токе статора, соответствующего моменту нагрузки М2.)

схему отрицательной обратной связи по скорости
δs = uу -

uос ≡ ω0.0 - ω ≡ sa

При превышении максимально допустимого тока статора АД (при I1 ≥ I1max регулятор скольжения должен быть исключен из работы, например ограничением его выходного сигнала uрс на уровне u рс.max

Выходной сигнал с А3, обеспечивает за счет одновременного уменьшения частоты и напряжения статора АД до их минимальных значений f1min и U1min ограничение момента АД при ω = 0 на уровне Мmax (линия 2 на рис,а).

характеристики в пределах значений абсолютного скольжения sа ≤ sк представлена

ниже

β = 2Мк/ ω0н sк

Тэ = 1/ ω0эл.ном sк

Wрс(p) = Δuрс/Δuу = крс + 1/Трср
Wос(p) = Δuос/Δω

= кос = uзс.н /ωн

Wд (p) = Δω/Δω0 = 1/( Тэ Тм р2 + Тм р +1).

При Тм ≥ 4Тэ

Wд (p) = 1/ (Т01 р +1)(Т02 р +1),

Если принять Тμ = Т02 + Тпч, то

Трс = кос кпчаμ Тμ ; крс = Т01 /Трс .

ротора магнитный поток АД заметно изменяется при изменении абсолютного скольжения.

Поэтому для стабилизации магнитного потока АД при изменении его нагрузки в канал задания тока UZF вводится преобразователь ФП, формирующий задание тока статора I1 в функции абсолютного скольжения sа

Известные положительные свойства АД при его питании от источника тока, такие как независимость электромагнитного момента АД от частоты и возможность при заданном токе статора и абсолютном скольжении, равном критическому, обеспечить больший момент, чем при питании от источника напряжения, могут быть реализованы лишь в замкнутой системе, контролирующей абсолютное скольжение и ток двигателя в функции нагрузки.

заданию скорости ω0.з идеального холостого хода АД, а uос –

текущей скорости ротора ω, т.е. uрс ≡ (uз.с - uос ) ≡ (ω0.з -ω) = sа ω0.н .

Если передаточный коэффициент

ФЧС выбрать таким образом, чтобы

его выходной сигнал uф.с был пропорционален (ω0.з -ω)

uс = uфчс + uсу ≡ (ω0.з -ω) + ω = ω0.з

В результате на выходе ЗЧ появится сигнал uз.f ≡ uз.с ≡ ω0.з,

Поскольку электромагнитный момент двигателя М ≡ I12 , то с учетом характеристики ФП (I12 ≡ sа) выходной сигнал РС пропорционален не только абсолютному скольжению sа, но и одновременно является сигналом задания электромагнитного момента АД

задания частоты преобразователя uз.f = 0 и за счет характеристики

ФП (uз.т.min ≠ 0) в АД устанавливается постоянный ток, обеспечивающий поток намагничивания и режим динамического торможения АД. С увеличением uз.с и, соответственно uз.f, ток статора становится переменным и двигатель начинает вращение по действием максимального момента, ограниченного сигналом uз.о.

Рассмотрим передаточные функции отдельных звеньев системы и определим условия, при которых момент АД будет определяться абсолютным скольжением.

Передаточная функция между заданной скоростью идеального холостого хода АД ω0.з и сигналом задания частоты на входе UZF uз.f определяется соотношением

Wf (p) = Δω0.з / Δ uз.f = 2πкf /рп

где кf = Δfз / Δ uз.f = fн / uз.f.н

где кз.ч = Δuз.f/Δuз.с; кфчс = Δuфчс/Δuз.с; ксу = Δuсу

/Δuос;
кос = Δuос /Δω

Wм (p) = ΔМ/(Δω0.з - Δω) = βт / (Тэт р +1),

где βт = 2Мкт/ω0нsкт

Тэт = 1/ω0эл..н sкт

sкт = R2′/( хμн+ х2н′ )

Поскольку при питании от источника тока sкт заметно меньше, чем при питании от источника напряжения ( sк >> sкт ), то β << βт и Тэ << Тэт.

С учетом первых двух выражений :
(Δω0.з - Δω) = (2πкf /рп) кз.ч (кфчс Δ uр.с + ксу кос Δω) - Δω =
= (2πкf /рп) кз.ч кфчс Δ uр.с + [(2πкf /рп) ксу кос Δω - Δω].

/рп) ксу кос = 1
(Δω0.з - Δω) = км Δ

uр.с ,

где км = (2πкf /рп) кз.ч кфчс

Wм (p) = ΔМ/Δ uр.с = км βт /(Тэт р +1).

Wо (p) = Δω/Δuрс = км /(Тэт р +1) Тмт р

Если отнести постоянную Тэт к малой некомпенсируемой постоянной времени Тμ = Тэт , то

Wрс(p) = Тмт / аμ Тμ кос км = крс

высокая точность реализуется при настройке привода на симметричный оптимум с

ПИ –регулятором скорости.

Трс = 2аμ Тμ /крс ; крс = Тмт /аμ Тμ км кос.

Контрольные вопросы
1. Оцените диапазоны частотного регулирования скорости АД в разомкнутой системе управления при различных зависимостях статического момента на валу АД от его скорости.
2. Какие факторы влияют на выбор минимального и максимального значений частоты и напряжения на выходе преобразователя частоты?
3. Какие обратные связи способствуют увеличению жесткости механической характеристики асинхронного частотно-регулируемого электропривода? Дать сравнительную оценку различным способам стабилизации скорости АД.

и напряжения на статоре двигателя, а также его скорости в

функции момента на валу двигателя. Как они будут отличаться для двигателей с различными значениями номинальных скольжений? Определите граничные зоны механических характеристик электропривода.
5. Какими факторами ограничивается максимальный коэффициент положительной обратной связи по току статора АД?
6. Определите для электропривода по схеме рис. с ПИ-регулятором скорости характер изменения выходного напряжения регулятора скорости, частоты и напряжения на статоре двигателя, а также его скорости в функции момента на валу двигателя. Как они будут отличаться для двигателей с различными значениями номинальных скольжений?
7. Какими факторами ограничено применение разомкнутых систем с частотно-токовым управлением АД?
8. Поясните назначение блоков БО, ФП, ФЧС и СУ в схеме на рис.

и большее значение электромагнитной постоянных времени АД при его питании

от источника тока по сравнению с питанием АД от источника напряжения?
10. Определите для электропривода по схеме рис. с ПИ-регулятором скорости характер изменения выходного напряжения регулятора скорости, частоты и тока статора двигателя, а также его скорости в функции момента на валу двигателя.