ЗАМКНУТЫЕ СХЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА

Замкнутый ЭП с использованием преобразователей частоты {система «ПЧ—АД»), Эта система в силу своих широких функциональных возможностей становится одним из основных видов регулируемого ЭП. При не очень высоких требованиях к показателям, диапазону и точности регулирования переменных ЭП может применяться разомкнутая структура такой системы, рассмотренная в подразделе 5.5. При необходимости получения высоких показателей качества регулирования переменных в статике и динамике, в частности диапазона регулирования скорости, создаются замкнутые структуры, некоторые из которых рассмотрены в этом разделе.

Реализуемое с помощью преобразователей частоты управление двигателя может быть реализовано по следующим вариантам:

• • параметрическое управление, при котором управляющим воздействием на двигатель являются частота и действующее значение подаваемого на двигатель напряжения;
• • частотно-токовое управление, при котором управляющим воздействием на двигатель являются частота и действующее значение тока двигателя;
• • векторное управление, связанное с регулированием мгновенных значений питающих напряжений и токов с целью форми-

рования электромагнитного момента двигателя нужной величины.

Одна из возможных схем замкнутого электропривода с параметрическим частотным управлением [17] представлена на рис. 5.36, а.

В качестве силового преобразователя в этой схеме используется преобразователь частоты со звеном постоянного тока, состоящий из неуправляемого выпрямителя В и инвертора напряжения ИН. Инвертор выполнен на шести силовых модулях, состоящих из силовых транзисторов VT1—VT6 и обратных диодов VD1—VD6. Между выпрямителем и инвертором включен фильтр, состоящий из реактора L и конденсатора С, обеспечивающий сглаживание выходного напряжения выпрямителя и циркуляцию реактивной энергии в силовой части схемы.

Инвертор работает в режиме широтно-импульсной модуляции и преобразует нерегулируемое напряжение постоянного тока на выходе фильтра в регулируемое по частоте и амплитуде напряжение на статоре двигателя М. Силовая схема электропривода нереверсивная и не предусматривает электрического торможения.

Управление инвертором осуществляется сигналами t^-и Uv, определяющими соответственно значения выходных частоты и напряжения преобразователя частоты. Формирование этих сигналов осуществляется схемой управления, в состав которой входят регулятор скорости PC, регулятор тока РТ, тахогенератор (датчик скорости) ТГ и датчик тока ДТ, суммирующие усилители (пропорциональные регуляторы) Zj и Z2, блок ограничения БО выходного сигнала PC, функциональный преобразователь ФП, задатчик интенсивности ЗИ.

Регулятор скорости PC в совокупности с задатчиком интенсивности ЗИ и сумматором Е, обеспечивают требуемое регулирование скорости и ускорения двигателя в установившемся и переходных режимах работы электропривода с помощью сигнала

Регулирование (ограничение) тока статора и момента двигателя производится регулятором тока РТ. При токе статора двигателя меньше тока уставки /м сигнал на выходе РТ равен нулю и схема управления обеспечивает режим поддержания заданной скорости. Когда ток статора превысит уставку тока /м, происходит увеличение сигнала на выходе РТ, из-за чего снижается и сигнал на выходе сумматора Ег Это приводит к уменьшению частоты и величины напряжения на статоре двигателя и тем самым к ограничению тока статора и момента двигателя.

Функциональный преобразователь ФП, характеристика которого в виде ломаной линии 0—а—б—в показана над его условным изображением на рис. 5.36, а, обеспечивает требуемое соотношение между частотой и выходным напряжением преобразователя частоты. Отрезком 0—а создается начальное напряжение на выходе преобразователя, необходимое для преодоления падения напряжения на обмотке статора двигателя при малых частотах напряжения. Участок а—б обеспечивает пропорциональное изменение частоты и напряжения (закон частотного управления (///= const), при котором магнитный поток двигателя поддерживается примерно постоянным. На участке б— в величина напряжения на статоре остается неизменной, хотя при этом его частота может увеличиваться.

Для уменьшения влияния падения напряжения в цепи статора на величину магнитного потока двигателя и тем самым на его момент в схеме предусмотрена положительная обратная связь по току (так называемая /^-компенсация), сигнал которой поступает на вход сумматора Z2- При увеличении нагрузки двигателя возрастает его ток и увеличивается сигнал Uv, за счет чего возрастает выходное напряжение преобразователя и тем самым компенсируется падение напряжения в цепи обмотки статора.

В современных электроприводах этого типа реализация блоков управления схемы рис. 5.36, а осуществляется с использованием микропроцессорных средств, а настройка их параметров и характеристик производится программным путем. Получаемые в этой схеме механические характеристики двигателя при различных сигналах задания скорости U3C показаны на рис. 5.36, б.

При небольших диапазонах (порядка 10-15) требуемое регулирование скорости может быть получено и в разомкнутой схеме без обратной связи по скорости. В этом случае в схеме отсутствуют PC и ТГ, а сигнал с выхода ЗИ непосредственно поступает на вход сумматора Ег

Схема частотно-токового управления двигателем представлена на рис. 5.37. Тиристоры VS1—VS6образуют схему управляемого выпрямителя У В, а тиристоры VS7—VS12 — схему автономного инвертора тока АНТ. Между этими блоками включен реактор L большой индуктивности, чтобы придать инвертору свойства источника тока. Конденсаторы С1—С6 с диодами VD1—VD6 образуют цепи искусственной коммутации тиристоров VS7—VS12. Остальные элементы схемы имеют следующее назначение: СУВ и СУИ — схемы управления тиристорами выпрямителя и инвертора; РТ, ДТ — соответственно регулятор и датчик тока статора; ДС — датчик скорости; УО — усилитель-ограничитель; ФП — функциональный преобразователь.

Схема работает следующим образом. Задающий сигнал U задает частоту переключения тиристоров инвертора и тем самым частоту тока статора двигателя М. После вычитания из сигнала U3C сигнала обратной связи по скорости Ua получается сигнал U^, пропорцио-

Рис. 5.36. Схема включения (о) и характеристики (б) асинхронного двигателя при скалярном частотном управлении

УВ _L_ АИТ

Рис. 5.37. Схема ЭП при частотно-токовом управлении асинхронным

двигателем

нальный относительной частоте ротора (3 =/2 //1ном. Величину (3 называют также абсолютным скольжением двигателя. Она связана со скольжением s двигателя соотношением (3 = as, где a =/j //1ном-

Сигнал и», пройдя через УО, вместе с сигналом поступает на вход СУ И. Частота на выходе инвертора определяется сигналом иш = + (7р; СУИ настроена таким образом, что пока УО работает

в линейной зоне, частота на выходе инвертора будет постоянной и не будет зависеть от нагрузки. Двигатель при этом имеет жесткие механические характеристики.

Сигнал Щ после прохождения через ФП является также сигналом для контура регулирования тока. Так как этот сигнал пропорционален абсолютному скольжению, то и ток двигателя при всех частотах будет ему пропорционален.

При резких изменениях задающего сигнала или при значительных перегрузках двигателя УО входит в зону ограничения (постоянства) своего выходного сигнала U^, ограничивая тем самым на требуемом уровне и задание для тока. Двигатель при этом работает при любой скорости с постоянными значениями абсолютного скольжения и тока, т.е. механическая характеристика становится абсолютно мягкой. В результате двигатель имеет характеристики, аналогичные показанным на рис. 5.36, б.

Схема позволяет осуществлять торможение двигателя с рекуперацией (отдачей) энергии в сеть, для чего инвертор переводится в режим выпрямления, а выпрямитель - в режим инвертирования тока.

При необходимости получения высокого качества и очень больших диапазонов регулирования скорости асинхронного электропривода применяются так называемые схемы векторного управления асинхронными двигателями, в которых решение этих задач обеспечивается за счет точного формирования электромагнитного момента двигателя. Принцип формирования момента может быть показан следующим образом.

Уравнение электромагнитного момента асинхронного двигателя может иметь различные формы записи в зависимости от используемых в этих уравнениях переменных и выбранной системы координат для их представления. При построении систем векторного управления удобно процессы в двигателе рассматривать в системе координат X- У, в которой ось Xсовпадает по направлению с потокосцепле- нием ротора Ч*2 и вращается с его скоростью. В этом случае уравнение электромагнитного момента трехфазного асинхронного двигателя имеет вид

где р — число пар полюсов двигателя; Ь[2 — взаимоиндуктивность между статором и ротором; /1у— составляющая тока статора по оси У; L2 — полная индуктивность ротора.

Так как составляющая тока статора /|А,по оси X определяет пото- косцепление ротора Ч/2, то из формулы (5.38) следует, что за счет регулирования i]X и /, у можно обеспечивать формирование момента двигателя. Составляющая ilx может рассматриваться как намагничивающая реактивная составляющая тока статора двигателя, a i[Y— его активная составляющая, идущая на создание момента двигателя.

Уравнение (5.38) по своему виду аналогично формуле момента двигателя постоянного тока. В нем Ч*2 отражает магнитный поток двигателя постоянного тока, a ilY— ток его якоря.

Принцип построения схемы векторного управления иллюстрирует рис. 5.38. Асинхронный двигатель М, на валу которого установлен датчик скорости (тахогенератор) ДС получает питание от преобразователя частоты ПЧ. Регулирование момента производится регуляторами РТ^ активной Iw и РТ^ реактивной составляющих тока. Значения этих переменных получаются косвенным путем с помощью модели асинхронного двигателя «Модель АД», на вход которой подаются сигналы фазных токов 1А, 1В, /с, напряжений UA, UB, Uc

Рис. 5.38. Схема ЭП при векторном управлении асинхронным двигателем

и угловой скорости двигателя со. Модель двигателя выдает информацию о скольжении двигателя s и составляющих токов Iw и /ц.

Регулирование скорости производится по принципу подчиненного регулирования координат с использованием ПИ-регулятора скорости PC, задатчика интенсивности ЗИ и блока токоограничения БО. Управление ПЧ осуществляется системой трехфазных напряжений U^, U3B, U3C, которые формируются преобразователем координат ПК на основе сигналов регуляторов PTW и РТД и сигнала, пропорционального частоте/j.

Векторное регулирование момента асинхронного двигателя обеспечивает его точное поддержание во всем диапазоне регулирования скорости, включая режимы работы электропривода на упор и его очень низкие «ползучие» скорости, что отличает его от параметрического (скалярного) регулирования.

Замкнутая схема управления асинхронного ЭП, выполненного по системе «тиристорный регулятор напряжения — асинхронный двигатель» (система ТРИ—АД). В этой системе (рис. 5.39) для получения приемлемых для регулирования скорости жестких механических характеристик двигателя используется отрицательная обратная связь по его скорости.

В схеме между сетью и статором двигателя включен ТРИ, силовую часть которого образуют три пары встречно-параллельно соединенных тиристоров VS1— VS6. Управляющие электроды тиристоров подсоединены к выходам системы импульсно-фазового управления СИ ФУ ТРИ, которая вырабатывает и распределяет управляющие импульсы на тиристоры и осуществляет их фазовый сдвиг в зависимости от входного сигнала управления ?/. К валу двигателя для реализации обратной связи по скорости подсоединен тахогенератор ТГ. Его ЭДС Етг сравнивается с задающим напряжением скорости U3C, снимаемым с задающего потенциометра скорости ЗП, причем эти напряжения действуют навстречу друг другу. Разность этих напряжений образует сигнал управления

который поступает на вход СИФУ.

При увеличении этого сигнала угол управления тиристорами а уменьшается, подаваемое на двигатель напряжение увеличивается, и наоборот. Важно отметить, что при снижении скорости двигателя в цепи ротора выделяются потери мощности (потери скольжения), которые вызывают дополнительный нагрев двигателя и снижают экономичность работы ЭП. Для облегчения теплового режима двигателя при его работе на пониженных скоростях в цепь его ротора в рассматриваемой схеме может быть включен добавочный резистор Rla, показанный на рис. 5.39, а.

Рассмотрим работу ЭП при изменении момента нагрузки Мс на валу двигателя и постоянном задании скорости U3cT Допустим, что в исходном положении двигатель работал в точке 7 при моменте нагрузки Мс1 (см. рис. 5.39, б), а затем произошло его увеличение до значения Мс2.

При увеличении нагрузки на валу двигателя его скорость начнет снижаться, соответственно начнет уменьшаться и пропорциональная ей ЭДС тахогенератора Етг Уменьшение скорости и Етг вызывает согласно (5.39) увеличение напряжения управления Uy, что приведет к уменьшению угла а и увеличению тем самым подаваемого на двигатель напряжения. Момент двигателя будет увеличиваться и в точке 2 сравняется с Мс2. Таким образом, увеличение момента нагрузки привело к небольшому снижению скорости двигателя, т.е. его характеристики в схеме рис. 5.39, а стали жесткими.

При уменьшении момента нагрузки Мс будет автоматически происходить снижение напряжения на двигателе и поддержание его скорости вращения на заданном уровне.

Изменяя с помощью потенциометра ЗП значение задающего напряжения U3 с, можно получить ряд механических характеристик электропривода с относительно высокой жесткостью и необходимой перегрузочной способностью двигателя.

Рис. 5.39. Схема (о) и характеристики (6) замкнутого асинхронного ЭП с

использованием регулятора напряжения и обратной связи по скорости

Реализация этого ЭП требует из-за больших потерь скольжения завышения мощности двигателя или применения двигателя специальной конструкции.

Замкнутая схема импульсного регулирования скорости двигателя с помощью резистора в цепи ротора. В схеме ЭП (рис. 5.40, а) с импульсным регулированием сопротивления в цепи выпрямленного тока ротора для получения жестких характеристик использована отрицательная обратная связь по скорости двигателя.

В роторную цепь двигателя включен неуправляемый трехфазный выпрямитель В, к выходу которого подключен резистор R2 . Параллельно резистору включен управляемый полупроводниковый ключ К.

Управление ключом происходит от широтно-импульсного модулятора ШИМ, на вход которого поступают сигналы задания U и обратной связи UQC по скорости. При поступлении на вход блока ШИМ сигнала ошибки Uy = U3 с - UQC он начинает генерировать импульсы управления U. Эти импульсы с помощью схемы управления ключом СУК подаются на ключ, размыкание и замыкание которого вызывают периодическое включение и закорачивание резистора /?, .

Принцип получения жестких характеристик ЭП соответствует рассмотренному выше механизму действия обратной связи по скорости и состоит в следующем. Допустим, двигатель работает в установившемся режиме при каком-то заполнении (скважности) ключа К и соответствующем эквивалентном сопротивлении цепи ротора.

Пусть по каким-то причинам произошло увеличение момента нагрузки двигателя, в результате чего начнет снижаться его скорость. Тогда в соответствии с формулой (5.39) сигнал управления U начнет повышаться, что вызовет увеличение заполнения у работы ключа К и уменьшение тем самым эквивалентного сопротивления в цепи ротора /?2экв = (1 - у) /?2д. Это, в свою очередь, приведет к увеличению тока в роторе и момента двигателя и прекращению снижения скорости, что соответствует жестким характеристикам ЭП, показанным на рис. 5.40, б.

В схеме может быть достигнуто и регулирование (ограничение) тока и момента, для чего она должна быть дополнена контуром регулирования тока. В этом случае механические характеристики имеют вертикальный участок, соответствующий заданному уровню ограничения тока и момента.

Следует отметить, что работа этого ЭП, как и ЭП с ТРИ, характеризуется при регулировании скорости двигателя выделением в цепи ротора потерь мощности, пропорциональных скольжению, что ухудшает экономические показатели работы ЭП и должно учитываться при выборе двигателя и добавочного резистора.

Рис. 5.40. Схема (о) и характеристики (б) замкнутого асинхронного ЭП с импульсным регулированием сопротивления добавочного резистора в цепи

ротора

Автор: Москаленко В.В.