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 получим:

(6.8)

,

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, при этом изменяется жесткость механических характеристик и следовательно - скольжение при заданном моменте нагрузки. Во-вторых, можно воздействовать на частоту. Тогда при известной частоте вращения ротора абсолютное скольжение определяется из (6.4):

.

Системы электропривода, в которых скольжение стабилизировано или регулируется при условии 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:

.

В качестве допущений принято, что и магнитная цепь АД ненасыщенна. Тогда, учитывая, что максимальный момент АД

(6.9)

,

п

(6.10)

олучим.

Из условия постоянства при изменении частоты:

(6.11)

.

В итоге, из (6.10) и (6.11) получим:

(6.12)

.

Данный закон обеспечивает режим работы АД с практически неизменным абсолютным скольжением. Действительно, при принятых допущениях и

(6.13)

,

(6.14)

,

откуда при 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 абсолютного скольжения означает и постоянство частоты вращения АД.

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 , при котором ток статора, а значит и потери АД будут минимальными. Физически это объясняется тем, что составляющие тока статорапо-разному зависят от.Ток намагничивания изменяется пропорционально, 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 энергосберегающего режима дает тем больший эффект, чем меньше нагрузка двигателя и частота питающего напряжения.

a)

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:

.

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 рассогласованияопределяет абсолютное скольжение. Далее определяется частота напряжения, подаваемого на АД:

.

Одновременно, сигнал, пропорциональный поступает в контур регулирования тока. Здесь фактическое значение токасравнивается с выходным сигналом функционального преобразователя, реализующего зависимость, 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.

Условие постоянства электромагнитной мощности АД можно записать в виде:

При частотах ниже номинальной этот режим может быть реализован при и изменении напряжения по закону

.

При частотах выше номинальной, где регулирование выходного напряжения ПЧ методами ШИМ невозможно и , режим постоянства мощности обеспечивается, если скольжение регулировать пропорционально частоте:

.

На практике часто реализуют двухзонное регулирование (рис. 6.15.), когда при используют закон частотного управления с постоянством максимального момента, а при - увеличивают частоту при постоянном напряжении. При этом уменьшаются поток, максимальный момент и жесткость механических характеристик, а скольжение растет примерно пропорционально частоте.

Рис. 6.15. Механические характеристики АД при двухзонном регулировании