4. ПРИВОД ПЕРЕМЕННОГО ТОКА С ЧАСТОТНО-ТОКОВЫМ УПРАВЛЕНИЕМ

В приводе с частотно-токовым управлением сигнал на входе формирует момент на валу, а не угловую скорость, как в приводе с частотным управлением. Поэтому механические характеристики привода с частотно-токовым управлением являются мягкими, а не жесткими. Поскольку функциональная зависимость момента электродвигателя переменного тока от величины тока якоря является более простой, чем от величины напряжения на якоре, входной сигнал формирует ток якоря. В общем случае исходят из того, что ток якоря является векторной величиной, которая может быть представлена, например, в прямоугольной или полярной системе координат. При этом для формирования вектора тока якоря применяют два входных сигнала. Если выбрана прямоугольная система координат, то входные сигналы рассматривают как два вектора, направленные соответственно по двум ортогональным осям системы и являющиеся составляющими вектора тока якоря [19].

Если выбрана полярная система координат, то один из входных сигналов формирует амплитуду, а другой — фазу вектора тока якоря [32].

Рассмотрим схемы приводов, в которых вектор тока якоря формируется в прямоугольной системе координат, так как эти приводы более удобны и для теоретических исследований, и для реализации.

Одну из осей прямоугольной системы координат, например ось абсцисс, направим по продольной оси электродвигателя или по вектору потока, или по какому-либо другому вектору, угловая скорость вращения которого совпадает с угловой скоростью вращения вектора тока якоря. Для этого в приводе применяются устройства, обеспечивающие определение углового положения либо продольной оси, либо вектора потока и т. д. Так как продольная ось и вектор потока электродвигателя вращаются в процессе работы привода, то и прямоугольные оси, а следовательно, и вектора, определяемые входными сигналами и являющиеся составляющими вектора тока якоря, тоже вращаются. Отсюда вытекает, что в приводах с частотно-токовым управлением частота токов якоря электродвигателя не является независимым параметром, а образуется с помощью положительной обратной связи по угловой скорости вращения либо продольной оси, либо вектора потока электродвигателя, либо какого другого вектора.

Рассмотренный принцип построения привода переменного тока обеспечивает управление электродвигателем по двум взаимно перпендикулярным осям — по двум каналам управления, моментом на валу и магнитным потоком,

Ориентирование ортогональных осей, например к осям двигателя, играет важную роль, так как от этого зависит связь каналов управления между собой. Полное разделение каналов управления в приводе требует применения нелинейных элементов и достаточно сложных связей между ними. На практике стремятся обеспечить такое разделение каналов управления, при котором регулирование момента на валу привода не ведет к изменению магнитного потока электродвигателя.

Определение положения продольной оси электродвигателя выполняют, как правило, с помощью датчика углового положения типа вращающегося синусно-косинусного трансформатора (СКВТ), устанавливаемого на роторе [3], [19]. Определение вектора потока производят по составляющим этого вектора, измеренным в воздушном зазоре электродвигателя [29]. Определение вектора потока можно выполнить и косвенным путем, например в синхронном приводе [28] определяют положение продольной оси ротора и затем по параметрам электродвигателя и входным сигналам вычисляют вектор потока. В асинхронных приводах [15], [29] определение ортогональных осей, связанных с вектором потока, ведут по результатам измерения либо положения вала, либо составляющих потока, либо составляющих э. д. с. электродвигателя.

Таким образом, приводы с частотно-токовым управлением можно классифицировать как по привязке (по ориентации) осей координат, так и по параметру электродвигателя, измерение которого в приводе производят для ориентации.

В соответствии с этим синхронные приводы [8] можно назвать приводами с ориентацией по продольной оси и с измерением углового положения вала электродвигателя, а синхронные приводы [28] — с ориентацией по потоку и с измерением углового положения вала.

Асинхронные приводы при пренебрежении индуктивностью рассеяния ротора электродвигателя все являются приводами с ориентацией по потоку и отличаются только измеряемым параметром (угол поворота Вала, составляющие потока, составляющие э. д. с.), используемым в дальнейшем для определения углового положения потока [15], [19], [29].

Отличительной чертой приводов с частотно-токовым управлением является применение в них преобразователей энергии на основе усилителей тока, представляющих собой усилители напряжения, охваченные глубокой отрицательной связью по мгновенным значениям токов фаз электродвигателя. В этом случае напряжение на фазах электродвигателя формируется преобразователем энергии для заданного режима работы автоматически.

Применение частотно-токового управления в приводах переменного тока позволило получить новые свойства как у отдельных элементов (исполнительного электродвигателя, преобразователя энергии, схемы управления), так и у всего привода в целом.

Во-первых, обеспечиваются высокие статические и динамические характеристики привода: момент на валу является линейной функцией входного сигнала для всех рабочих скоростей привода [19].

Во-вторых, исключается возможность выпадения из синхронизма, опрокидывания и качания электродвигателей переменного тока.

В-третьих, при достаточно простых технических средствах возможно оптимальное использование электродвигателя (привода) как в отношении получения максимального момента на валу при заданном токе, так и получения высоких энергетических показателей, например , к. п. д. и т. д. [3], [19], [32].

В-четвертых, достигается высокая надежность работы преобразователя энергии, поскольку осуществляется контроль за мгновенными значениями токов фаз электродвигателя.

Рассмотрим приводы с частотно-токовым управлением, в которых угловое положение и скорость вращения ортогональных осей, необходимых для задания тока статора, определяются с помощью синус-косинусного вращающегося трансформатора, связанного с ротором электродвигателя, так как эти приводы получили наиболее широкое распространение. В этих приводах чаще всего одна из ортогональных осей направлена по продольной оси ротора , а другая — по поперечной оси . В этом случае входные сигналы привода обозначаются как предназначаются соответственно для регулирования потока и момента на валу электродвигателя.

Асинхронный привод. Если принять, что индуктивность рассеяния роторных обмоток отсутствует, т. е. ток ротора асинхронного короткозамкнутого электродвигателя является чисто активным, то можно записать следующие выражения [23]:

где — ток в фазе статора (действующее значение); — намагничивающий ток (ток холостого хода); — приведенный к статорной цепи ток ротора; М — электромагнитный момент; Ф — магнитный поток; — угловая скорость вектора тока статора; — угловая скорость ротора; — угловая скорость вектора тока ротора — частота токов ротора); — постоянные размерные коэффициенты пропорциональности. Выбираем такие вращающиеся ортогональные оси, которые совпадают с направлениями векторов токов и примем

где К — постоянный размерный коэффициент пропорциональности;

— входные сигналы привода.

Отметим, что в асинхронном электродвигателе нет продольной и поперечной осей, определяемых конструкцией электродвигателя. О таких осях можно говорить лишь условно, считая, что продольная ось совпадает с осью магнитного потока (с вектором намагничивающего тока Из выражений (IV.6) и (IV.7) получим:

где Так как желателен режим работы электродвигателя то примем

Рис. IV.5. Асинхронный привод с частотно-токовым управлением

В этом случае в соответствии с выражениями (IV.10) момент на валу будет линейной функцией сигнала на входе привода.

На рис. IV.5 показана функциональная схема асинхронного привода с частотно-токовым управлением, в котором реализуются выражения (IV.8) и (IV.9). Короткозамкнутый ротор асинхронного

электродвигателя ЭДв жестко соединен с ротором датчика углового положения ДУ, на роторе которого имеется двухфазная, а на статоре — трехфазная обмотки. На рис. IV.5 выбрано такое начальное расположение обмоток, при котором ось статорной обмотки фазы А асинхронного электродвигателя направлена по горизонтальной оси, а ось статорной обмотки фазы с датчика — по вертикальной. Оси обмоток ротора ДУ направлены по осям ротора и За направление отсчета положительных углов поворота а оси ротора датчика принято направление против вращения часовой стрелки, при этом

Сигналы в виде напряжений постоянного тока поступают на входы двух модуляторов опорным для которых является напряжение генератора опорных напряжений при этом частота существенно больше частоты токов, питающих ЭДв. На выходах М получим два напряжения, которые питают обмотки ротора

где — коэффициент передачи М.

На статорных обмотках ДУ индуктируются три напряжения, амплитуды которых определяются углом поворота вала электродвигателя и углами пространственного расположения осей обмоток:

где — коэффициент передачи напряжения от ротора к статору ДУ. Эти напряжения поступают в функциональный преобразователь (ФП), содержащий маломощную тахометрическую следящую систему с дифференциальным датчиком углового положения ДДУ и три ФЧВ. Тахометрическая система состоит из элементов, аналогичных элементам тахометрической системы ФП (см. рис. IV.3). На вход усилителя тахометрической системы поступает сигнал где сравнивается с сигналом и затем преобразуется в скорость ротора ДДУ в соответствии с выражением (IV.9). Угол у поворота ротора ДДУ

Роторные обмотки ДДУ подключены к статорным обмоткам ДУ. На статорных обмотках ДДУ индуктируются напряжения, которые поступают на входы ФЧВ:

где — коэффициент передачи напряжения от ротора к статору ДДУ.

На выходах ФЧВ, опорным для которых служит напряжение с учетом выражения (IV.4) имеем напряжения, поступающие на входы усилителей напряжения

где — коэффициент передачи ФЧВ.

УН, входящие в состав преобразователя энергии охвачены жесткими обратными связями по мгновенным значениям выходных токов, информация о которых поступает с измерителей тока (ИТ). В результате этого асинхронный электродвигатель ЭДв питается трехфазной системой токов, мгновенные значения которых определяются выражениями:

где — коэффициент преобразования напряжения на входе УН в ток фазы электродвигателя;

С учетом выражений (IV.8), (IV.9), (IV. 11), (IV. 13) и (IV. 16) для установившихся режимов работы привода при и при нулевых начальных условиях для углов и у, а также при

получим:

Отсюда следует, что в приводе (рис. IV.5) в соответствии с выражениями (IV.8) и (IV.9) асинхронный электродвигатель питается токами, действующее значение которых определяется сигналами а угловая скорость этих токов формируется в виде суммы двух скоростей и последняя из которых пропорциональна сигналу При этом независимо от скорости магнитный поток электродвигателя, определяемый током (сигналом вращается со скоростью отличающейся от на величину т. е. ротор скользит относительно потока со скоростью что является необходимым условием работы асинхронного электродвигателя. Момент на валу привода является линейной функцией сигнала при любой скорости включая нулевую, в соответствии с выражениями (IV. 10). Это значит, что механические характеристики привода — мягкие. Изменение знака момента происходит при изменении полярности напряжения так как при этом изменяется знак скорости — направление вращения вектора тока ротора относительно ротора электродвигателя, определяемое направлением вращения ротора ДДУ в соответствии с выражением (IV.9).

Исследования реального асинхронного привода показывают, что линейная зависимость момента на валу от сигнала сохраняется до значений, не превышающих номинальное значение ном (Мном) более чем в 4—5 раз. Такая большая перегрузочная способность асинхронного электродвигателя объясняется тем, что при увеличении токов статора и частоты токов ротора согласно выражений (IV.8) и (IV.9) магнитный поток у реального электродвигателя несколько увеличивается. Это приводит к компенсации вредного размагничивающего действия реактивной составляющей тока ротора, обусловленной наличием индуктивности рассеяния роторных обмоток [13]. Обычно производят ограничение величины сигнала с учетом требуемых перегрузок по моменту, например полутора-трехкратных. Отсюда следует, что и частота токов ротора ограничивается значениями, равными Гц. При этом индуктивное сопротивление рассеяния роторных обмоток будет существенно меньше активного, что и оправдывает принятое выше допущение относительно индуктивности рассеяния ротора.

На рис. IV.6 показаны экспериментальные механические характеристики асинхронного привода мощностью при этом вместо угловой скорости использована частота вращения . У реального привода область мягких характеристик ограничивается критическим значением за пределами которого нарушается линейная зависимость момента на валу от сигнала Объясняется это тем, что при из-за ограниченной мощности ПЭ токи электродвигателя не могут формироваться в соответствии с выражениями (IV.8) и

(IV. 18). В областях частот вращения рабочих областях привода) характеристики привода незначительно отличаются от идеально мягких, показанных штриховой линией, за счет потерь в стали и механических потерь на валу [13], [19].

При применении привода по схеме рис. IV.5 в замкнутых системах регулирования скорости и положения нагрузки в качестве сигнала используют сигнал рассогласования на выходе элемента сравнения системы. В скоростной и позиционной следящих системах асинхронный привод работает устойчиво (без опрокидывания) как при скачкообразном изменении сигнала задания на входе системы, так и при ударном приложении момента нагрузки к валу привода. Объясняется это тем, что сигнал на входе привода ограничивается по величине и формирует только небольшую долю частоты токов статора (частоту токов ротора), в то время как основная составляющая частоты токов статора, необходимая для обеспечения скорости вращения ротора, снимается с вала самого электродвигателя независимо от с помощью ДУ.

Рис. IV.6. Механические характеристики асинхронного привода с частотно-токовым управлением

В рассмотренном асинхронном приводе вращающиеся прямоугольные оси, в которых формируется вектор тока статора, ориентированы по вектору потока — сигнал формирует ток намагничивания электродвигателя, т. е. магнитный поток.

Однако, как показано в работе [19], это справедливо только при допущении об отсутствии индуктивности рассеяния ротора. В реальном приводе, выполненном по схеме рис. IV.5, прямоугольные оси оказываются автоматически ориентированными таким образом, что ось ординат, вдоль которой располагается составляющий вектор тока статора, определяемый сигналом совпадает с вектором тока ротора. Так как этот вектор не перпендикулярен вектору потока, то, следовательно, ось абсцисс системы координат не совпадает с вектором потока. При этом вектор потока определяется не только сигналом но в некоторой степени и сигналом

Таким образом, более точно рассмотренный привод следует называть приводом с ориентацией по току ротора и с измерением углового положения ротора.

Синхронный привод. В приводе с частотно-токовым управлением любым из известных синхронных электродвигателей в общем случае используются оба входных сигнала и для тока статора, как и в асинхронном приводе, справедливо выражение (IV.8). Так как функциональные схемы приводов с различными типами синхронных

электродвигателей практически не отличаются друг от друга, то рассмотрим в качестве примера функциональную схему привода (рис. IV.7) на основе неявнополюсного электродвигателя ЭДв с возбуждением от постоянного магнита.

В этом приводе вектор тока статора электродвигателя формируется в прямоугольной системе координат, ось абсцисс которой совпадает с продольной осью электродвигателя. У неявнополюсного электродвигателя с возбуждением от постоянного магнита направление продольной оси совпадает с осью магнита.

Рис. IV.7. Синхронный привод с частотно-токовым управлением

Оси координат определяются с помощью ДУ, а необходимая ориентация их на продольную ось электродвигателя достигается начальной установкой ДУ.

Функциональный преобразователь схемы рис. IV.7 проще ФП привода, изображенного на рис. IV.5, так как в синхронном приводе не надо формировать скорость скольжения Если пренебречь реакцией тока статора на поток возбужденйя ротора, т. е. посчитать, что поток возбуждения Ф электродвигателя создается только постоянным магнитом, то выражение для вращающего момента привода (рис. IV.7) можно записать в виде

где угол определяется выражением (IV. 17).

Соотношения для токов, питающих синхронный электродвигатель ЭДв, получаются из выражений (IV. 16) при

Так как в приводе (рис. IV.7) составляющий вектор тока статора, определяемый сигналом направлен параллельно вектору потока возбуждения, то, следовательно, сигнал создает реактивный ток электродвигателя, который в зависимости от знака этого сигнала является индуктивным или емкостным. Это обстоятельство используется в тех случаях, когда вопросы регулирования электродвигателя или привода в целом являются важными. В этих случаях сигнал формируют, например, в виде некоторой функции сигнала и скорости вала привода. Поскольку синхронного привода (см. рис. IV.7) с частотно-токовым управлением при является высоким, то при решении ряда задач не используют канал управления по сигналу . В этом случае схема привода упрощается.

Для установившихся режимов работы привода из выражений (IV.8), (IV. 17) и (IV. 19) при и при имеем:

Отсюда, во-первых, следует, что частота токов статора определяется скоростью ротора электродвигателя, а во-вторых, момент привода оказывается максимально возможным при заданном токе статора, линейно зависит от сигнала и не зависит от скорости

Изменение знака момента происходит при изменении полярности сигнала из-за изменения при этом фазы вектора тока статора на противоположную, что следует из выражений (IV. 17) и (IV.21). Исследования реального синхронного привода (см. рис. IV.7) показывают, что линейная зависимость момента на валу от сигнала сохраняется при превышении током статора номинального значения не более чем в 3—5 раз. Поскольку у реальных приводов требуются, как правило, не более, чем трехкратные перегрузки по моменту (по току), то принятое выше допущение об отсутствии реакции тока статора оказывается оправданным.

В скоростной и позиционной системах регулирования, использующих привод рис. IV.7, возможно скачкообразное изменение сигнала задания и ударное приложение момента нагрузки, так как синхронный

электродвигатель не будет выпадать из синхронизма и раскачиваться. Это достигнуто за счет того, что взаимное угловое положение вектора тока статора и потока ротора не зависит от углового положения ротора и определяется только сигналами

На рис. IV.8 показаны экспериментальные механические характеристики синхронного привода с возбуждением на 8 кВт. Штриховой линией дана расчетная характеристика. Отличие характеристик от идеально мягких объясняется, как и у асинхронных приводов, наличием потерь в стали и на валу привода.

Рис. IV.8. Механические характеристики синхронного привода

Отличие характеристик от характеристик асинхронного привода в нерабочей зоне при объясняется тем, что возбуждение электродвигателя создается независимо от токов статора. Отметим, что синхронные электродвигатели, используемые в приводах с частотно-токовым управлением, не обязательно выполнять с пусковыми короткозамкнутыми обмотками на роторе, так как пуск в общепринятом понятии при частоте питания статора, значительно превышающей частоту вращения ротора, в этих приводах отсутствует. Однако надо иметь ввиду, что при короткозамкнутые обмотки синхронных электродвигателей оказывают положительное влияние на динамические характеристики приводов [19].