Системы управления ЭИМ переменного тока

В регулируемых электроприводах переменного тока для управления ИМ используют преимущественно асинхронные дви- гатели с короткозамкнутым ротором (АДКР), а также синхронные двигатели с постоянными магнитами (СДПМ) и вентильные дви- гатели (бесколлекторные двигатели постоянного тока – БДПТ).

При этом применяются различные способы регулирования скорости электродвигателей путем изменения напряжения статора, одновременно частоты и напряжения статора, частоты и тока ста- тора и др. Используется значительно большее число контролируе- мых координат, нежели в электроприводах постоянного тока и, соответственно, множество силовых преобразовательных уст- ройств, различающихся и конструктивными решениями, и спосо- бами управления. Все эти обстоятельства затрудняют формирова- ние общих подходов к синтезу СУИМ переменного тока. Ниже рассмотрены лишь основные способы управления наиболее рас- пространенными в промышленности АДКР и принципы построе- ния систем управления ИМ на их основе.

При фазовом управлении тиристорами (симисторами) силово- го преобразователя, питающего статорную обмотку АДКР, изме- няется, по сути, средневыпрямленное напряжение полуволн пи- тающей сети при постоянстве частоты питающей сети. Отсюда недостатки такого способа регулирования:

– cнижение критического электромагнитного момента М _к АД при уменьшении напряжения статора U ₁, причем в квадратичной зависимости:

3 U ²

М к  » 1  ,

2w1 X к

где

U 1» E 1 = 4, 44 w 1F m f 1 = const × F m f 1,

(7.1)

E ₁ – ЭДС асинхронной машины; w ₁ – число витков обмотки стато- ра; Ф _т – магнитный поток; f ₁ – частота напряжения статора; ω₁ – угловая скорость вращения поля статора;

– малый диапазон регулирования скорости в силу значитель- ного снижения электромагнитного момента на малых скоростях;

– увеличение потерь в АД, поскольку помимо первой гармо- ники напряжение питания статора содержит высшие гармониче- ские составляющие.

Указанные недостатки ограничивают область применения СУИМ с фазовым управлением – только для регулирования скоро- сти маломощных АД либо в качестве устройств плавного пуска.

При частотном управлении АД одновременно с изменением напряжения статора изменяют и его частоту. Как следует из фор- мулы (7.1), при уменьшении частоты f ₁ питающего напряжения необходимо одновременно уменьшать и напряжение U ₁ статора, чтобы избежать насыщения магнитной цепи при увеличении маг- нитного потока Ф _т. И, наоборот, при уменьшении напряжения U ₁ статора необходимо одновременно уменьшать и частоту f ₁ питаю- щего напряжения, чтобы исключить существенное снижение маг- нитного потока Ф _т и тем самым снижение электромагнитного по- тока. В связи с этим различают несколько способов (законов) час- тотного управления:

– пропорциональное управление (закон Костенко) при обес- печении

U 1 = const;

f 1

 

(7.2)

– управление с постоянным максимально допустимым момен- том нагрузки или магнитным потоком (с iR -компенсацией падения напряжения в обмотках статора) при

E 1» U 1 -  i 1 R 1 = const;

 

(7.3)

f 1               f 1

– квадратичное управление (управление с постоянной мощно- стью АД) при

U 2

1  = const или

U 1 = const.

 

(7.4)

f ₁                    f 1

Закон пропорционального управления (7.2) целесообразен при вентиляторном характере нагрузки ИМ (насосы, вентиляторы, дымососы, компрессоры), закон с iR -компенсацией (7.3) – при по- стоянстве момента нагрузки (грузоподъемные ИМ), закон квадра- тичного управления (7.4) – при постоянстве мощности электро- привода (тяговый электротранспорт).

Специфическими разновидностями частотного управления являются частотно-токовое и векторное управление. В первом случае управляют частотой и амплитудой тока статора. При этом преобразователь частоты рассматривается как источник перемен- ного тока. Во втором – оптимальное управление АД достигается изменением амплитуды, фазы и частоты векторов тока и потокос- цепления ротора.

Для управления электродвигателями переменного тока исполь- зуются различные полупроводниковые преобразователи: преобра- зователи напряжения, неуправляемые выпрямители, зависимые ин- верторы, автономные инверторы тока и напряжения, непосредст- венные преобразователи частоты, импульсные преобразователи. Схемы силовых преобразователей весьма разнообразны и опреде- ляются конкретными требованиями к электроприводу переменно- го тока по таким показателям, как мощность, диапазон регулиро- вания скорости, характеристика момента нагрузки на валу, потери электроэнергии, простота реализации, форма выходного напряже- ния или тока и др.

Преобразователи частоты (ПЧ), получившие наибольшее рас- пространение в технике электропривода, разделяются на две

большие группы: ПЧ со звеном постоянного тока и ПЧ с непосред- ственной связью – НПЧ. В свою очередь, ПЧ со звеном постоянно- го тока разделяются на ПЧ с управляемым или неуправляемым выпрямителем, с автономными инверторами тока (АИТ) или авто- номными инверторами напряжения (АИН).

Устройство, принцип работы и характеристики различных преобразователей частоты, используемых для управления электро- двигателями переменного тока, достаточно всесторонне освещены в работах [17, 19, 23].

Рассмотрим некоторые функциональные схемы СУИМ на ос- нове частотного управления электроприводами.

На рис. 7.11 приведена упрощенная схема системы частот- ного управления асинхронными электроприводами подъемно- транспортных ИМ с iR-компенсацией на основе СПЭ со звеном постоянного тока, содержащем управляемый выпрямитель УВ и автономный инвертор напряжения АИН.

 

 

L

Рис. 7.11. Система частотного управления с iR -компенсацией

 

Для вычисления модуля ЭДС АД в структуру СУИМ введен

функциональный преобразователь ФП. Сигнал

U, определяю-

f

1

щий задание частоты поля статора, поступает одновременно на регулятор ЭДС (РЭ) и систему управления тиристорами АИН. РЭ

осуществляет требуемое соотношение (7.3), вырабатывая сигнал

U

U задания напряжения статора, поступающий на систему управ-

1

ления тиристорами выпрямителя. В системах регулирования ско- рости дополнительно применяют обратные связи по току статора и скорости вращения АД и, соответственно, внешние контуры тока и скорости (на рис. 7.11 они не показаны).

На рис. 7.12 приведена функциональная схема асинхронного электропривода с частотно-токовым управлением.

~

 

-

В

 

 

Рис. 7.12. Система частотно-токового управления

 

СУИМ является двухконтурной: внутренний контур – контур регулирования тока статора, внешний – контур регулирования

f

скорости. Регулятор скорости формирует сигнал U

1

задания час-

тоты тока статора, пропорциональный ошибке регулирования ско- рости. На вход функционального преобразователя ФП подается

f

разность выходного сигнала регулятора скорости U

1

и сигнала

датчика скорости U _дс, пропорционального скорости АД. Таким образом, на входе ФП формируется сигнал, пропорциональный абсолютному скольжению:

1

U s = U f

- U дс = k 1w1 - k 2w = ks a.

(7.5)

На практике нелинейную функцию функционального преоб- разователя ФП линеаризуют. Тогда электромагнитный момент электродвигателя [11–13]

 

M = m Y

s a

a

2 F (s

)  i 1

= K s a.

 

(7.6)

Сравнивая выражения (7.5) и (7.6), можно заключить, что вы- ходной сигнал ФП может служить заданием тока статора или мо- мента. На рис. 7.12 этот сигнал обозначен U _зт.

Раздельное управление током и частотой поля статора регуля- торами тока и скорости обеспечивает простоту настройки СУИМ и высокое качество переходных процессов в электроприводе. Сис- тема частотно-токового управления применяется преимуществен- но в станочном электроприводе.

На рис. 7.13 приведена упрощенная функциональная схема асинхронного электропривода с векторным управлением. Обозна- чения блоков на схеме следующие:

АИН с ШИМ – автономный инвертор напряжения с широтно- импульсной модуляцией;

БРП – блок регулирования переменных; БЗП – блок задания переменных;

БВП – блок вычислений переменных.

Существует достаточно большое число вариантов исполне- ния частотно-регулируемых преобразователей частоты (ЧРП), реализующих векторное управление [13]. Впервые такая система была разработана свыше 30 лет назад и получила название

«Трансвектор».

Векторное управление – это управление во вращающейся сис- теме координат, где скорость поля статора равна скорости вра- щающейся системы координат, т.е. ω _K = ω₀. Задающими воздейст- виями СУИМ являются заданная частота вращения ω^* и потоко-

r

сцепление Y^*

ротора.

–        +

 

i

U

*

*

ω^*                                         1 d                                                           A

U

*

Y

i

*                                                            B

U

r

*                                                                1 q                                                            *

C

Рис. 7.13. Функциональная схема асинхронного электропривода с векторным управлением

 

В системах векторного управления осуществляется независи- мое регулирование проекций тока статора i _{1 d} и i _{1 q} , определяющих электромагнитный момент и магнитный поток АД, на оси d и q подвижной системы координат. Для этого в системе осуществля- ется двукратное преобразование координат – из неподвижной сис- темы координат в осях a и b (токи фаз А и В) во вращающуюся систему координат в осях d, q и обратно (преобразователи БВП и БЗП) и регулирование составляющих тока по замкнутому конту- ру во вращающейся системе (блок БРП). В этих преобразованиях

обычно вектор потокосцепления ротора Y r

из осей d или q.

направляют по одной

В одних модификациях ЧРП скорость вращения ротора w оп- ределяют косвенно на основе математической модели реального

времени (w '), в других – с использованием встроенного частотно- импульсного датчика (энкодера).

Для осуществления перехода из одной системы координат в другую необходимо в каждый момент времени определять угол между системами координат (неподвижной и вращающейся).

Существует несколько способов определения этого угла:

– используют датчики Холла, которые устанавливаются в расточку статора под углом 90° относительно друг друга, с их помощью определяют величину главного магнитного потока в зазоре;

– используют измерительные обмотки, измеряющие Е ₁ и Е ₂;

– косвенно определяют составляющие магнитного потока при помощи вычислительных устройств или математической модели АД. На основе составляющих фазных токов на выходе получают проекции вектора потокосцепления статора Y r a и Y r b на оси a и b.

Среди отечественных частотно-регулируемых электроприво- дов широко применяются электроприводы серии АТ фирмы «Три- ол», среди зарубежных – электроприводы фирм Siemens, Danfoss, Schneider Electric и др.

Электроприводы в общем случае обеспечивают выполнение следующих функций:

– предоставление информации о координатах состояния элек- тропривода: I, M, P, w и др.;

– выбор источника управления: местное или дистанционное;

– программирование в режимах оффлайн и онлайн (реальном времени);

– программирование таких задающих сигналов, как темпы разгона и торможения или формирование S -рампы (ЗИ второго рода);

– программирование параметров сигналов датчиков обрат- ной связи в форме тока (0–5, 0–20, 4–20 мА) или напряжения (0–1, 0–10 В);

– программирование внешнего технологического контура ре- гулирования с ПИД-регулятором;

–

210

программирование закона частотного управления, в частно-

сти U = const;

f

– программирование параметров номинального режима и предельных значений координат;

– программирование пуска, торможения и отключения приво- да с дублированием релейного или звукового сигнала;

– программирование режима динамического торможения для электроприводов с динамическим торможением;

– программирование параметров локальной сети при работе в составе промышленной сети и др.

Наибольший экономический эффект дает применение ЧРП в системах тепло- и водоснабжения, вентиляции и кондициониро- вания, где их применение стало фактически стандартом. Наиболь- шая экономия электроэнергии достигается в случае переменной нагрузки, т.е. работы электродвигателя как с полной, так и с не- полной нагрузкой.