Статические характеристики и режимы работы системы ПЧ-АД

Известно, что в асинхронном двигателе преобразование энергии происходит при несинхронном вращении ротора и магнитного поля статора. В двигательном режиме разница частот вращения ротора и поля статора в большинстве случаев невелика, и составляет лишь несколько процентов.

Для исследования характеристик АД в статическом режиме запишем в комплексной форме систему уравнений, которыми описывается состояние обобщённой двухфазной модели АД:

(3.1)

где – вектор напряжения фазы статора;

– вектор тока статора;

– активное сопротивление фазы статора;

– индуктивное сопротивление фазы статора;

– вектор ЭДС статора;

– вектор приведённой ЭДС ротора;

– вектор приведённого тока ротора;

– суммарное приведённое активное сопротивление фазы ротора;

– скольжение двигателя;

– приведённое индуктивное сопротивление фазы ротора.

На основании системы уравнений (3.1) составлена схема замещения фазы АД и соответствующая ей векторная диаграмма (рис. 3.4 и рис. 3.5).

Рис. 3.4. Схема замещения фазы АД

Для получения выражений статических характеристик с помощью приведённой на рис. 3.4 схемы замещения определим вначале ток фазы ротора как функцию параметров двигателя:

(3.2)

где - индуктивное сопротивление короткого замыкания фазы двигателя.

Активная электромагнитная мощность, передаваемая через воздушный зазор ротору двигателя, может быть записана в виде:

, (3.3)

Рис. 3.5. Векторная диаграмма АД

или же через электромагнитный момент и синхронную скорость вращения поля двигателя:

(3.4)

где M – электромагнитный момент двигателя;

ω₀ – угловая синхронная скорость вращения двигателя.

Приравниваем выражения (3.3) и (3.4) и, подставляя формулу (3.2) для тока, получаем уравнение механической характеристики двигателя в виде зависимости М = f (S):

(3.5)

Анализ данной функции показывает, что она имеет точки экстремума. Критическое скольжение, соответствующее экстремуму, может быть определено путём дифференцирования М = f (S) по S и последующего приравнивания к нулю этой производной:

где «+» – двигательный режим;

«–» – генераторный режим.

Подставив выражения критических скольжений для двигательного и генераторного режимов в (3.5) получаем соответственно критические моменты, развиваемые двигателем в двигательном и генераторном режимах:

В соответствии с приведёнными формулами механическая характеристика асинхронного двигателя М = f (S) имеет вид, показанный на рис. 3.6. Для правильного понимания особенностей статических режимов преобразования энергии в асинхронном двигателе нужно установить физические причины, определяющие характер зависимости момента двигателя от скольжения. Зависимость, связывающая электромагнитный момент двигателя М, ток и результирующий магнитный поток Ф выглядит следующим образом:

где φ₂ – угол между векторами ЭДС и током ротора.

Рис. 3.6. Механическая характеристика

асинхронного двигателя М = f (S)

Теоретически АД может работать в диапазоне изменения скольжения S = - ¥ ¸ + ¥, но не при S = 0, так как в этом случае w=w₀ и проводники ротора неподвижны относительно поля статора, ЭДС и токи в стержнях равны нулю и момент отсутствует. В зависимости от практически возможных скольжений различают несколько режимов работы АД: генераторный режим при S < 0, двигательный при 0 < S < 1 и торможение противовключением при S >1. В генераторном режиме ротор вращается в ту же сторону, что и поле статора, но с большей частотой. В двигательном – направления вращения поля статора и ротора совпадают, но ротор вращается медленнее магнитного поля статора. В тормозном режиме ротор вращается, но направление его вращения противоположно направлению вращения поля статора и машина создаёт тормозной момент.

3.3.2. Скалярное управление в системе ПЧ – АД

Самым несложным методом при частотном регулировании скорости АД является способ, основанный на изменении величины и частоты питающего напряжения. На рис. 3.7 показаны искусственные характеристики АД при регулировании напряжения U ₁ и неизменной частоте f ₁.

Рис. 3.7. Механические характеристики

при U ₁ = var и f ₁ = const

Критическое скольжение S _к остаётся неизменным, а критический момент М _к уменьшается пропорционально квадрату напряжения. К недостаткам данного способа следует отнести малый диапазон регулирования и малую жёсткость характеристик, особенно при работе на низких частотах.

Изменения частоты тока статора f ₁ приводят к пропорциональному изменению синхронной скорости w₀, но одновременно при поддержании напряжения U ₁ на постоянном уровне вызывают обратно пропорциональные изменения магнитного потока двигателя. В результате с увеличением частоты f ₁ выше номинальной наблюдаем снижение критических момента и скольжения рис. 3.8.

Рис. 3.8. Механические характеристики

при f ₁ = var и U ₁ = const

Наиболее эффективные возможности управления АД обеспечиваются одновременным использованием в качестве управляющего воздействия в канале регулирования скорости – частоты f ₁, а в канале регулирования потока – напряжения U ₁.

В начале прошлого века академик Костенко М.П. предложил оригинальный способ регулирования скорости вращения АД. Для идеализированного двигателя (принимаем R ₁=0) справедлива следующая зависимость

На основании сформулированного выражения можно регулировать скорость и момент, развиваемый АД.

Широкое распространение получили способы частотного управления, основанные на законе поддержания постоянства соотношения между U ₁ и f ₁. На рис. 3.9 представлены варианты интерпретаций различных законов управления:

а) для , б) для и в) для .

Рис. 3.9. Механические характеристики для различных

законов частотного управления АД

При законе регулирования можно получить семейство характеристик для механизмов, имеющих вентиляторную характеристику, когда момент, развиваемый АД увеличивается прямо пропорционально квадрату частоты приложенного напряжения, рис. 3.9,а. При этом способе достигается получение больших моментов на высоких скоростях.

При использовании закона получают семейство характеристик для механизмов, работающих с постоянной мощностью Р =const. В данном случае критический момент АД обратно пропорционален частоте приложенного напряжения, рис. 3.9,б. Применение этого закона позволяет получить характеристики с высоким пусковым моментом.

Закон регулирования теоретически предполагает получение семейства характеристик с постоянным моментом (рис. 3.9,в пунктирные линии). В реальных условиях при малых частотах падение напряжения на активном сопротивлении статора R ₁ приводит к нарушению оптимальности регулирования. Для обеспечения требуемой точности следует компенсировать падение напряжения на активном сопротивлении в статорной цепи.

На практике при создании скалярных систем частотного управления выполняют линеаризацию зависимостей между частотой и напряжением. Рис. 3.10 показывает реализацию скалярной системы частотного управления для трёх законов регулирования на примере ПЧ. На рис. 3.10,а представлена аппроксимация закона , на рис. 3.10,б – и на рис.3.10,в – соответственно.

Рис. 3.10. Практическая реализация законов частотного

управления скоростью для ПЧ

Упрощенная функциональная схема скалярной системы частотного регулирования скорости с промежуточным звеном постоянного тока приведена на рис. 3.11. Заданная частота поступает на вход устройства управления УУ, которое в соответствии с принятым законом регулирования скорости, током нагрузки и номинальным скольжением двигателя формирует частоту f ₁ и амплитуду напряжения U ₁. Информация о частоте и амплитуде напряжения подаётся на ШИМ (широтно-импульсный модулятор) – преобразователь, генерирующий выходные сигналы для инвертора И. Сформированное таким образом переменное напряжение подаётся на АД, который развивает требуемую угловую скорость.

Электроприводы со скалярными системами частотного управления среди частотно-регулируемых электроприводов переменного тока отличаются относительной простотой и дешевизной. Но наряду с положительными качествами имеется ряд недостатков: низкие динамические показатели, отсутствие возможности точного регулирования момента на валу АД.

Рис. 3.11. Упрощенная функциональная схема скалярной

системы частотного управления АД

3.3.3. Переходные процессы в ПЧ- АД

Переходные процессы могут быть сформированы близкими по своему характеру к пере­ходным процессам в системе ТП – ДПТ НВ. Схема, поясняющая эти процессы, изображена на рис. 3.12.

Рис. 3.12. Функциональна схема (а); характеристики, поясняющие динамические режимы (б, в) в системе ПЧ

Здесь используется задатчик интенсивности (ЗС), который при поступлении сигнала задания U_з.с формирует нужный закон изменения сигнала управления U_у(t) на входе ПЧ и позволяет за счет этого получить требуемые графики изменения скорости и момента АД в переход­ном процессе. Необходимо отметить, что реализуемое при этом плавное изменение частоты и подаваемого на двигатель напряжения обус­лавливает частичное или полное устранение влияния электромаг­нитных переходных процессов.

Для примера на рис. 3.12, в показана на плоскости механических характеристик траектория пуска, реверса и торможения вхолостую АД при линейном законе изменения частоты, а, следовательно, ско­рости магнитного поля двигателя ω₀(t). Пуску асинхронного двигателя соответствует уча­сток Oab, реверсу – участок bcd и торможению – участок de0 этой тра­ектории. Отметим, что при торможении АД (за исключением участ­ка 0е) происходит рекуперация (отдача) энергии в сеть, что экономи­чески целесообразно.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: