8. ОСНОВЫ СТАТИЧЕСКОГО И ДИНАМИЧЕСКОГО РАСЧЕТА ПРИВОДОВ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Проектирование и расчет привода переменного тока проводится в основном по тем же этапам, что и расчет привода постоянного тока. Можно выделить следующие основные этапы проектирования привода переменного тока: выбор схемы привода — с частотным управлением или с частотно-токовым управлением; выбор электродвигателя и силового редуктора; выбор преобразователя энергии; выбор схемы управления; определение статических и динамических характеристик привода.

При выборе схемы привода следует иметь в виду: привод с частотным управлением дает хорошие результаты при использовании его в разомкнутых системах регулирования средней угловой скорости, а привод с частотно-токовым управлением предназначен для работы в замкнутых системах регулирования скорости и положения.

Выбор электродвигателя и силового редуктора привода переменного тока производится из тех же соображений и по той же методике, что и выбор элементов в приводе постоянного тока.

Выбор преобразователя энергии привода — важный этап проектирования, поэтому остановимся на нем подробнее. При выборе схемы преобразователя необходимо руководствоваться материалами, изложенными в § 7 настоящей главы. При этом следует исходить из требуемой мощности на выходе преобразователя, диапазона выходных частот, надежности, к. п. д., быстродействия и параметров источников напряжения.

При расчете преобразователя энергии привода определяют величину напряжения источника питания силового усилшеля напряжения. Покажем, как выбирают величину напряжения источника питания усилителя на примере привода с силовым усилителем и принудительной коммутацией, выполненным по схеме однофазного моста

(рис. IV.20). Будем считать, что электродвигатель переменного тока (для определенности — асинхронный электродвигатель) выбран из условия обеспечения заданной мощности на валу привода при заданной угловой скорости нагрузки. Это значит, что для этого электродвигателя при заданном режиме работы известны действующие значения напряжения на фазе и тока в фазе круговая частота тока статора и

Определим максимально возможную величину переменного напряжения частоты которую может сформировать силовой усилитель при заданном напряжении источника питания . В первом приближении можно считать, что в том случае, когда электродвигатель обеспечивает заданную мощность на валу привода, силовые ключи усилителя переключаются с круговой частотой обеспечивая питание нагрузки прямоугольным напряжением с величиной Найдем выражение для величины напряжения на нагрузке усилителя через параметры нагрузки. Обычно в схемах статических преобразователей последовательно с фазой электродвигателя включается дроссель с индуктивностью для сглаживания пульсаций тока в фазе. Принимая это во внимание, получим выражение для действующего значения напряжения, которое должен сформировать усилитель для обеспечения заданного режима работы электродвигателя:

где — активное сопротивление дросселя.

Это выражение для напряжения а получим из векторной диаграммы напряжений, построенной на основе векторной диаграммы электродвигателя с учетом падения напряжения на дросселе от протекания тока частоты Исходя из того, что максимально возможное напряжение на выходе усилителя равно и не должно быть меньше амплитуды напряжения и, получим

В этом выражении неизвестными являются параметры сглаживающего дросселя. Дроссель выбирают, исходя из допустимых пульсаций тока в фазе электродвигателя и из допустимой величины падения напряжения на дросселе при заданном токе и круговой частоте Для конкретности изложения обратимся к непрерывно-переключающемуся преобразователю. В этом случае при определении величины используют выражение для начальной частоты переключения силовых ключей (см. § 7 настоящей главы).

Начальную частоту переключений силовых ключей выбирают из следующих соображений. Для получения высокого быстродействия и большого диапазона рабочих частот на выходе усилителя желательно иметь частоту как можно выше. Известно, что верхнее возможное значение частоты ограничивается динамическими параметрами силовых полупроводниковых элементов, так как при больших частотах Гц значительно возрастают потери в

усилителе. Величину выбирают равной где амплитуда тока в фазе электродвигателя, при этом исходят из допустимой величины дополнительных потерь от пульсаций тока и из величины допустимых отклонений тока от синусоидальной формы. Сделать величину очень малой не удается, так как при выбранной частоте приходится использовать сглаживающий дроссель с большим индуктивным сопротивлением. Это нежелательно, поскольку в этом случае будет значительным падение напряжения на дросселе тока , следовательно, силовые каскады привода используются неэффективно, а динамические свойства привода будут невысокими.

Из приведенных рассуждений следует, что решение задачи определения величины индуктивности сглаживающегося дросселя, частоты и величины не является однозначным. Поэтому выбор названных параметров рассматриваемого силового усилителя производится методом последовательных проб и приближений при использовании выражений (IV.36) и (IV.45), причем исходными при этом бывают величины Отметим, что в выражении (IV.36) индуктивность должна быть определена как сумма двух индуктивностей: индуктивности сглаживающегося дросселя и индуктивности, вносимой электродвигателем и равной индуктивности короткого замыкания.

Поскольку выражения (IV.36) и (IV.45) выведены в предположении отсутствия падения напряжения на силовых элементах, при окончательном выборе напряжения питания усилителя напряжение необходимо увеличить на величину падения напряжения на силовых ключах.

При расчете преобразователей энергии с силовыми усилителями с непосредственным преобразованием и с магнитными усилителями роль начальной частоты играет частота модуляции на которой происходит широтно-импульсная модуляция напряжения питания усилителей. Частота для каждой конкретной схемы усилителя с непосредственным преобразованием (также и для магнитного усилителя) строго связана с частотой напряжения питания. Так, например, в рассмотренном в § 7 преобразователе энергии на двухполупериодных МУ частота была в 2 раза больше частоты напряжения питания.

При первоначальном выборе преобразователя энергии бывает важно знать, хотя бы приблизительно, связь частоты с максимально возможной частотой тока на выходе преобразователя.

Теоретические и практические исследования показывают, что при названных выше значениях и при использовании электродвигателей нормальных серий отношение частот оказывается равным 15—20.

Остановимся коротко на динамических характеристиках приводов переменного тока, которые определяют, во-первых, работу привода в переходных режимах — режимах пуска, торможения, реверса, а во-вторых, работу в замкнутых системах регулирования.

Строгое определение динамических характеристик электроприводов переменного тока требует учета электромагнитных переходных процессов в системе преобразователь энергии — электродвигатель.

Точное исследование переходных процессов связано с определенными трудностями: нелинейность дифференциальных уравнений, описывающих машину переменного тока; нелинейный (импульсный) характер процессов коммутации тока в статических преобразователях энергии; трудности аналитического описания процессов управления, связанных с изменением частоты напряжения (тока) статора (ротора) в широком диапазоне с одновременным изменением амплитуд названных величин. Поэтому в настоящее время большое внимание уделяется использованию методов моделирования и расчета приводов переменного тока с применением вычислительных машин. Далее, поскольку точное исследование приводов переменного тока аналитическими методами затруднительно, для получения качественных характеристик идут по пути применения допущений и использования приближенных методов и аналитических выражений. Этот путь оказывается оправданным при решении конкретных задач.

Рассмотрим качественно процессы пуска, торможения и реверса в приводах переменного тока. При качественном рассмотрении этих процессов считают, что электромагнитные процессы устанавливаются значительно быстрее механических переходных процессов, и потому их исключают из рассмотрения. В приводах с частотным управлением главным фактором, определяющим характер и качество процессов пуска, торможения и реверса, является скорость изменения частоты напряжения статора — скорость изменения сигнала на входе привода. Покажем это на примере привода с короткозамкнутой асинхронной машиной. Если скорость изменения частоты напряжения статора в приводе такова, что заданная частота устанавливается мгновенно, то механические переходные процессы протекают при неизменной частоте и характеризуются значительными пусковыми (тормозными) токами и потерями в электродвигателе:

При этом время переходного процесса вовсе не является минимальным. При очень малых скоростях изменения частоты напряжения процессы пуска и торможения будут длительными. Для асинхронных приводов с частотным управлением различают мягкий и жесткий частотный пуск (торможение) в зависимости от величины скорости изменения частоты. Если за время пуска (торможения) частота токов ротора не выходит за пределы критической частоты токов ротора определяющей критический момент то пуск называется мягким. Такой пуск характеризуется малыми пусковыми токами и потерями. Если за время пуска (торможения) частота превышает значение то это жесткий пуск, протекающий при больших токах и потерях. Оптимальным в отношении минимума потерь, минимального времени переходного процесса является режим работы (пуск, торможение) примерно с постоянной частотой токов ротора [20].

В приводах с частотно-токовым управлением вопрос о выборе скорости изменения входного сигнала не возникает. При пуске, торможении, реверсе допускается мгновенное изменение сигнала на входе привода до заданного значения. При этом механические переходные процессы будут совершаться под действием постоянного момента привода, определяемого величиной входного сигнала.

Рассмотрим некоторые вопросы, возникающие при использовании привода переменного тока в замкнутых системах регулирования. Для аналитического расчета замкнутых систем регулирования с приводами переменного тока необходимо иметь передаточные функции или знать амплитудно-частотные и фазочастотные характеристики приводов.

Под частотными характеристиками привода с частотным управлением понимают зависимость амплитуды и фазы вынужденных колебаний угловой скорости привода от частоты гармонических колебаний сигнала на входе привода. Отметим, что гармоническое изменение входного сигнала приводит к гармоническому изменению частоты питающего электродвигатель напряжения и к негармоническому изменению величины этого напряжения, что объясняется нелинейной зависимостью величины напряжения питания электродвигателя от входного сигнала.

Для приводов с частотно-токовым управлением необходимо знать зависимость амплитуды и фазы вынужденных колебаний момента на валу привода от частоты изменения входного сигнала при постоянном значении скорости привода. При этом надо иметь в виду, что сигнал например в асинхронных приводах, воздействует на привод по двум различным каналам управления: величиной токов статора и величиной частоты токов ротора. Учитывая это, можно сказать, что при гармоническом изменении сигнала колебания частоты и величины токов статора не будут гармоническими. Если принять во внимание нелинейности цепей статических преобразователей и изложенные выше соображения, то станет ясно, что получение точных выражений передаточных функций приводов переменного тока не представляется возможным. Именно поэтому решение задач динамики привода переменного тока с помощью моделирования и вычислительных машин является оправданным.

В ряде случаев без учета электромагнитных переходных процессов, без учета запаздываний в статическом преобразователе энергии и схеме управления для качественного рассмотрения системы регулирования передаточную функцию асинхронного привода с частотным управлением записывают приближенно как передаточную функцию апериодического звена [26]. Даже приближенный учет электромагнитных процессов приводит к более сложным выражениям передаточной функции [20].

Если не учитывать запаздываний в схеме управления и статическом преобразователе энергии, то передаточные функции приводов с частотно-токовым управлением для скоростной и позиционной систем будут соответственно

где и — статические коэффициенты передачи приводов. Предположение о безынерционности преобразователя энергии оказывается оправданным, так как он рассчитывается из условия работы привода

с полным моментом вплоть до критических скоростей, т. е. до выходных частот 50 Гц и более.

Заслуживает внимания и тот факт, что даже наличие электромеханической системы в схеме управления асинхронного привода не препятствует получению приведенных выше передаточных функций. В этом случае постоянная времени электромеханической системы не должна быть больше постоянной времени цепи ротора асинхронной машины [19].

ЛИТЕРАТУРА

(см. скан)

(см. скан)