3. ПРИВОД ПЕРЕМЕННОГО ТОКА С ЧАСТОТНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ

Как уже отмечалось, в приводах переменного тока с частотным управлением входной сигнал задает частоту изменения напряжения питания электродвигателя и тем самым определяет угловую скорость вращения вала привода. Для синхронных электродвигателей связь между частотой напряжения питания и угловой скоростью вала является жесткой и независимой от величины момента нагрузки. Для асинхронного электродвигателя эта связь не является такой жесткой, как для синхронного, что вытекает из принципа его работы, согласно которому ротор должен иметь скольжение относительно магнитного поля электродвигателя. Такая зависимость частоты вращения вала от входного сигнала является положительным свойством привода с частотным управлением и позволяет с успехом применять его в точных системах регулирования скорости без обратных связей по угловой скорости вала.

Амплитуда напряжения питания электродвигателя (действующее значение напряжения фазы) в общем случае формируется в зависимости от входного сигнала, требуемого режима работы электродвигателя и параметров нагрузки.

Желательный режим работы электродвигателя переменного тока с постоянным магнитным потоком может быть осуществлен применением в приводе внутренней замкнутой цепи автоматического регулирования потока [25], [30]. При этом возможно косвенное и непосредственное регулирование величины магнитного потока электродвигателя. В приводах с косвенным регулированием измеряют не сам поток, а действующее значение э. д. с. фазы электродвигателя и используют его в качестве сигнала обратной связи в контуре регулирования потока, сигналом задания для которого служит входной сигнал привода Для определения действующего значения э. д. с. фазы электродвигателя применяют вычислительное устройство, входными величинами для которого являются напряжения и токи фаз электродвигателя. Так как действующее значение э. д. с. фазы электродвигателя пропорционально магнитному потоку и частоте напряжения питания, которая пропорциональна, в свою очередь, входному сигналу

привода, то регулирование действующего значения напряжения питания электродвигателя по результатам сравнения сигналов приводит к постоянству величины магнитного потока электродвигателя.

В приводах с непосредственным регулированием потока измеряют составляющие потока, например по двум ортогональным осям электродвигателя, по ним вычисляют величину потока и используют ее в качестве сигнала обратной связи в контуре регулирования потока, на вход которого подается отдельный сигнал задания потока. Определение составляющих потока ведут с помощью датчиков э. д. с. Холла.

На рис. IV. 1 приведена функциональная схема привода с частотным управлением (с косвенным регулированием потока). Электродвигатель переменного тока питается напряжением с действующим значением частоты от преобразователя энергии . В вычислительное устройство (ВУ) поступают напряжения и токи, питающие электродвигатель. На выходе ВУ формируется сигнал Е, пропорциональный действующему значению э. д. с. фазы электродвигателя Этот сигнал сравнивается с входным сигналом привода Результат сравнения поступает на регулятор напряжения (РН), который воздействует на ПЭ по каналу управления амплитудой (действующим значением) напряжения питания электродвигателя.

Рис. IV. 1. Функциональная схема привода переменного тока с частотным управлением

В канал управления частотой напряжения питания электродвигателя включен функциональный преобразователь (ФП), который по сигналу формирует сигналы управления для ПЭ, задавая тем самым круговую частоту напряжения их на его выходе. Поскольку определяет угловую скорость вала электродвигателя, то, следовательно, сигнал задает скорость привода. Канал управления частотой напряжения питания электродвигателя, содержащий блоки ФП и ПЭ, является каналом прямой, главной связи, а канал управления амплитудой напряжения питания, включающий блоки ВУ, РН и ПЭ является каналом внутренней, подчиненной обратной связи.

На рис. IV.2 приведена принципиальная схема привода с асинхронным электродвигателем ЭДв и электромашинным преобразователем энергии. Для упрощения на рисунках мы не будем показывать промышленные источники напряжений и цепи подключения их к элементам функциональных и принципиальных схем.

В качестве ПЭ используется синхронный генератор (СГ), обмотка возбуждения которого питается от РН. Вычислительное устройство (ВУ) содержит элемент, имитирующий активное сопротивление и индуктивность рассеяния обмотки статора асинхронного электродвигателя.

Падения напряжений на активном сопротивлении и индуктивном сопротивлении рассеяния статорной цепи образуются с помощью

трансформатора тока (ТТ), первичная обмотка которого включена в цепь питания фазы статора. Ко вторичной обмотке ТТ подключены резистор с величиной сопротивления и дроссель с индуктивностью Падения напряжений на резисторе и дросселе вычитаются из фазного напряжения ПЭ и полученная разность поступает на выпрямитель на выходе которого образуется напряжение Разность напряжений и Е воздействует через PH на возбуждение СГ, который в конечном счете обеспечивает питание электродвигателя напряжением Частота этого напряжения определяется угловой скоростью вала СГ, которая в свою очередь, обеспечивается ФП. В качестве функционального преобразователя ФП используется тахометрическая следящая система постоянного тока. На входе этой системы сигнал сравнивается с сигналом тахогенератора (ТГ), установленного на валу исполнительного электродвигателя (ИД).

Рис. IV.2. Асинхронный привод с электромашинным преобразователем энергии

Разность указанных сигналов поступает на усшштель питающий обмотку возбуждения генератора ротор которого вращается приводным асинхронным электродвигателем АД). При достаточно больших коэффициентах усиления PH и У асинхронный электродвигатель ЭДв будет питаться напряжением обеспечивающим заданный магнитный поток электродвигателя при различных значениях

В описанном приводе вследствие применения СГ в качестве ПЭ достаточно просто обеспечивается раздельное регулирование амплитуды и частоты напряжения питания ЭДв, что является достоинством данного привода. Благодаря этому свойству асинхронный привод переменного тока с СГ осуществляет экономичное регулирование скорости с кратностью при различных мощностях на выходном валу. Нижний предел регулируемых скоростей определяется в основном свойствами СГ, который не может обеспечить требуемой величины напряжения при скоростях вращения его вала, близких к нулю. Объясняется это значительным выходным сопротивлением генератора и нелинейностью характеристики намагничивания его цепи возбуждения. Поэтому привод, приведенный на рис. IV.2, используют обычно как нереверсивный.

Регулировочные свойства рассмотренного асинхронного привода зависят от свойств ФП; они хуже, чем у привода постоянного тока.

В случае, когда погрешности ФП (тахометрической следящей системы постоянного тока) малы, точность задания скорости нагрузки привода определяется в основном величиной угловой скорости скольжения асинхронного электродвигателя ЭДв. Привод с частотным управлением с электромашинным преобразователем энергии достаточно громоздок, так как в нем используется несколько электрических машин. Динамические свойства, точность отработки заданной скорости и к. п. д. привода не высоки. Однако функциональная схема привода является простой, привод удобен в регулировке и надежен в эксплуатации. Привод применяют как разомкнутую систему дистанционного управления скоростью, когда исполнительный электродвигатель должен работать непосредственно в агрессивных или взрывоопасных средах, или когда необходимо обеспечить синхронное регулирование скорости большого числа отдельных механизмов.

В последнем случае один синхронный генератор питает несколько электродвигателей переменного тока. Отметим, что если необходимо повысить точность задания скорости нагрузки привода (см. рис. IV.2), то в качестве исполнительного используют синхронный электродвигатель. При этом точность привода будет определяться только точностью ФП.

На рис. IV.3 дана схема асинхронного привода, в котором предусматривается использование статического ПЭ, выполненного на тиристорах. В отличие от привода, показанного на рис. IV.2, используемая в ФП этого привода тахометрическая следящая система является маломощной и выполняет только задачу преобразования сигнала в скорость (частоту

Тахометрическая система имеет усилитель, электродвигатель с тахогенератором (последние показаны на рис. IV.3 в виде одного устройства ДГ) и редуктор. На выходном валу системы установлен датчик углового положения (ДУ), типа сельсина. На вход тахометр ической системы поступает сигнал который сравнивается с сигналом обратной связи пропорциональным скорости ротора ДУ. Пренебрегая погрешностями тахометрической системы, имеем

где — коэффициент преобразования входного сигнала; у — угол поворота ротора ДУ.

Сигнал токи и напряжения фаз асинхронного электродвигателя ЭДв поступают в ВУ, на выходе которого формируется сигнал

где коэффициент преобразования ВУ. Этот сигнал поступает на модулятор опорным напряжением для которого служит напряжение генератора опорного напряжения при этом и частота существенно больше На выходе модулятора

где — коэффициент передачи модулятора; — прямоугольные колебания с единичной амплитудой и частотой

Рис. IV.3. Асинхронный привод с частотным управлением

Напряжение питает обмотку ротора ДУ, со статорных обмоток которого на входы фазочувствительных выпрямителей поступают напряжения:

где — коэффициент передачи ДУ, определяемый при как отношение напряжения к напряжению Опорным для ФЧВ является напряжение Выражения для напряжений на выходах

ФЧВ получают из выражений (IV.3) после - умножения их на

где — коэффициент передачи ФЧВ.

Принимая во внимание, что

получим для напряжений на выходах силовых усилителей напряжения (УН), входящих в состав ПЭ, следующие выражения:

где — коэффициент передачи

С учетом выражения (IV. 1) и (IV.2) при для установившихся режимов работы и при нулевых начальных условиях для угла y получим выражения для напряжений, питающих асинхронный электродвигатель:

Таким образом, в рассмотренном приводе электродвигатель питается напряжением с действующим значением и с частотой пропорциональной согласно (IV. 1) сигналу

Если привод рис. IV.3 используется как нереверсивный, то его ВУ не отличается от ВУ привода рис. IV.2. При использовании привода рис. IV.3 в реверсивных системах регулирования, требующих работы привода на низких скоростях, включая нулевую скорость, ВУ должно содержать имитирующие элементы для всех фаз электродвигателя. Это необходимо для точного определения э. д. с. электродвигателя на низких скоростях. В реверсивном приводе вместо ТТ (рис. IV.2) в каждой фазе электродвигателя применяют измеритель тока (ИТ), способный измерять как переменный, так и постоянный ток. Кроме этого, в ВУ осуществляется сравнение величины

Для изменения знака угловой скорости вала привода достаточно изменить полярность сигнала так как это приведет к изменению

знака угловой скорости ДУ, являющейся круговой частотой напряжения питания электродвигателя.

На рис. IV.4 показаны механические характеристики реверсивного асинхронного привода (схема привода дана на рис. IV.3), построенные в относительных единицах: ном и Мном — номинальные значения угловой скорости и момента на валу привода. Эти характеристики при различных сигналах являются семейством конгруентных кривых угловой скорости в зависимости от момента М. При этом угловая скорость при равна угловой скорости Характеристики имеют участки устойчивой и неустойчивой работы привода. Участки характеристик, соответствующие неустойчивой работе привода, показаны штриховой линией. Необходимо обратить внимание на то, что критический (опрокидывающий момент асинхронного электродвигателя с частотным управлением при постоянстве магнитного потока в 2—3 раза больше опрокидывающего момента электродвигателя, магнитный поток которого не остается постоянным (уменьшается при увеличении нагрузки). Механические характеристики асинхронного привода с частотным управлением близки к идеально жестким.

Рис. IV.4. Механические характеристики асинхронного привода с частотным управлением: при при при

Жесткость характеристик, определяемая отношением ном — ном, зависит величины номинальной круговой частоты ном токов ротора (от величины сопротивления ротора) и может быть не хуже 0,98, а у приводов с асинхронными электродвигателями, изготовленными специально для частотного управления, — не хуже 0,99.

При расчетах привода на поле механических характеристик выделяется рабочая область, которая ограничивается максимально допустимым значением момента нагрузки Мнтах, меньшим величины При моменте нагрузки, большем электродвигатель опрокидывается и в силовых цепях ПЭ привода возникают значительные токи короткого замыкания. Для обеспечения работы привода без опрокидывания асинхронного электродвигателя в переходных режимах ограничивают скорость изменения частоты и величины напряжения и (см. рис. IV.3). Для этих целей тахометрическую систему в ФП рассчитывают таким образом, чтобы она обеспечивала ускорения не больше, чем способен развить привод при заданной нагрузке.

Соответствующую скорость изменения сигнала а получают введением в ВУ вместо сигнала Эта связь ФП с ВУ показана на рисунке штриховой линией. При этом динамические свойства привода ухудшаются.

Достаточная жесткость механических характеристик позволяет применять рассмотренный привод в разомкнутых системах регулирования средней скорости объектов.

Привод может быть использован также и в замкнутых системах регулирования мгновенного значения скорости или положения. Это следует из механических характеристик, согласно которым при на валу электродвигателя развивается момент при любом значении включая нулевое.

Недостатком схемы привода (см. рис. IV.3) следует считать использование имитирующих элементов в ВУ. Хотя схема управления приводом и является в этом случае относительно простой, э. д. с. определяется с существенными погрешностями ввиду того, что имитирующие элементы находятся в совершенно ином температурном режиме, чем обмотки электродвигателя. Это приводит к ухудшению и нестабильности характеристик привода, особенно при малых значениях частоты

Точность работы схемы управления приводом увеличивается при непосредственном измерении величины магнитного потока с помощью датчиков э. д. с. Холла, располагаемых в воздушном зазоре машины. На рис. IV.3 условно показана цепь измерения магнитного потока с помощью датчиков э. д. с. Холла. Недостатком такой схемы привода является необходимость применения по крайней мере двух датчиков (один датчик измеряет индукцию в одной точке) и применения специальной конструкции асинхронной машины, обеспечивающей размещение датчиков. В тех случаях, когда требования к точности регулирования средней скорости в разомкнутой системе являются высокими, в приводах с частотным управлением применяют синхронные электродвигатели. Однако, несмотря на то, что синхронный привод обеспечивает идеально жесткое регулирование средней скорости, на практике его применяют реже, чем асинхронный привод. Объясняется это следующими особенностями, связанными с наличием у синхронного электродвигателя независимого возбуждения.

Во-первых, синхронные приводы требуют начальной индивидуальной настройки и регулировки коэффициентов усиления схем управления, так как магнитные потоки синхронных электродвигателей даже одной серии могут различаться. В процессе эксплуатации привода приходится предъявлять жесткие требования к стабильности коэффициентов усиления и преобразования схемы управления, а иногда производить регулирование их в связи с изменением магнитного потока электродвигателя. Требования к синусоидальности формы напряжения питания синхронного электродвигателя являются также более жесткими, чем в приводе с асинхронным электродвигателем. При несоблюдении приведенных выше требований в силовых цепях привода будут протекать уравнительные токи и его характеристики будут неудовлетворительными.

Во-вторых, синхронные машины при частотном управлении склонны к качаниям. В-третьих, в приводе с частотным управлением при синхронный электродвигатель не развивает требуемого вращающего момента, так как в этом случае не обеспечивается синхронное вращение полей статора и ротора. Поэтому такой привод редко используется в замкнутых системах регулирования.