Частотное регулирование скорости вращения АД.

Необходимо отметить, что частотное регулирование является наиболее целесообразным, эффективным и перспективным способом, регулирования АД с кз ротором и кроме того единым способом регулирования СД.

В настоящее время этим способом регулируют ЭП мощностью от нескольких Вт до 10-ти МВт и напряжением от 220 В до 10 кВ.

 

Принципы и законы частотного регулирования.

При изменении частоты напряжения питающего статора, изменяется угловая скорость ВМП , при этом и соответственно изменяется скорость вращения вала двигателя . При изменении частоты скольжения изменяется, следовательно, и жесткость характеристик практически не будет изменяться. Если принять с некоторой долей погрешности, что напряжение на фазе обмотки статора численно равна ЭДС..

- обмоточный коэффициент

- число витков статорной обмотки

- частота напряжения статора

Предположим, что с целью уменьшения угловой скорости необходимо уменьшить частоту Однако уменьшение частоты при неизменном действующем значении напряжения приведёт к тому что поток увеличится. При увеличении потока больше потока насыщения резко увеличится ток х.х. двигателя, что приведёт к перегреву двигателя. Если же нам требуется увеличивать угловую скорость, то для этом необходимо увеличить частоту, что при , приведёт к уменьшению потока, и как следствие двигатель будет недогружен по нагреву, при этом уменьшится его КПД и коэффициент мощности , в результате двигатель будет потреблять большое количество реактивной мощности и оказывать вредное «загрязняющее» влияние на сеть. Т.о. при частотном регулировании с целью поддержания постоянства магнитного потока. При одновременном изменении частоты, необходимо изменять напряжение.

При этом соотношение напряжения и частоты зависит от вида производственного механизма. Для механизмов с постоянным статическим моментом статического сопротивления наиболее целесообразным соотношением напряжения и частоты является соотношение:

Такой закон регулирования называется пропорциональным.

Для механизмов со статическим моментом сопротивления:

(генератор ПТсНВ): .

Для турбомеханизмов, у которых , оптимальным вариантом является:

.

С точки зрения оптимальности частотного регулирования – наиболее целесообразным видом является турбомеханизмы. Однако за частую, с целью упрощения системы управления ЭП при регулировании использует пропорциональный закон.

Рассмотрим классификацию методов и технических средств применяемых при частотном регулировании. В общем случае схема частотного регулирования имеет следующий вид:

 

Рис.117

 

По структуре преобразования частоты различают:

1. Преобразователи с непосредственным преобразованием частоты НПЧ (однозвенное)

2. Преобразователи частоты промежуточным звеном постоянного тока ПЧсПЗПТ (двухзвенные).

В настоящее время НПЧ как правило используются в качестве вспомогательного преобразовательного блока, а основным видом преобразователей являются преобразователи частоты с промежуточным звеном постоянного тока. Процесс преобразования электрической энергии с напряжением и частотой питающей сети в электрическую энергию с изменяемыми напряжением и частотой осуществляется в 2-а этапа:

1. Электрическая энергия переменного тока с напряжением и частотой питающей сети преобразуется в электрическую энергию постоянного пульсирующего тока.

2. Электрическая энергия постоянного тока преобразуется в электрическую энергию переменного тока с изменяющимися напряжением и частотой.

 

По способу преобразования различают:

Электромашинный ПЧ

а. СЭМПЧ (синхронный электрошинный ПЧ), основным элементом, которого является синхронный 3-х фазный генератор.

б. АЭМПЧ (асинхронный электрошинный ПЧ), основным элементом которого является асинхронный 3-х фазный генератор.

2. статические преобразования частоты СПЧ (вентильные) элементная база которых включает в себя использование силовых ключей (тиристоров или транзисторов). Рассмотрим структур статического2-х звенного СПЧ

 

Рис.118

 

1. – управляемый или неуправляемый выпрямитель предназначен для преобразования 3-х фазного переменного напряжения с частотой и напряжением сети в постоянное с изменяющимся или не изменяющимся действующим значением.

2. – фильтр, предназначен для сглаживания пульсации напряжения или тока с выхода выпрямителя и .

3.- инвертор, предназначен для преобразования постоянного сглаженного напряжения в переменное 3-х фазное с изменяющимся частотой и напряжением.

В том случае если блок 1 управляемый, то инвертор изменяет только частоту, в случае если 1 –неуправляемый, инвертор изменит и частоту, и амплитуду напряжения.

БУВ – блок управления выпрямителем.

БУН – блок управления инвертором

БЗС – блок задания скорости

В настоящее время использование выпрямительных схем на входе ЭП строго регламентируется. В этом плане значительно предпочтительней является схема, в которой в качестве блока 1 используется неуправляемый выпрямитель.

В этом случае инвертор, который должен регулировать как частоту, так и напряжением управляется либо по принципу ШИР, либо по принципу ШИМ. С точки зрения влияния на питающую сеть они равноценны, однако с точки зрения влияния на двигатель предположительно инверторы с ШИМ (широтно- импульсная модуляция), т.к. они позволяют воздействовать кроме напряжения и частоты, на форму выходного напряжения, которая, в идеале является синусоидальной.

Механические характеристики при частотном регулировании имеет следующий вид:

- естественная

Рис.119

 

Показатели качества:

· направления двузонное и вверх и вниз от основной частоты

· плавность - высокая

· стабильность - высокая, т.к. наклон регулировочных характеристик, по отношению к естественной, практически не изменяются

· допустимая нагрузка, целесообразна чаще регулировать при постоянном моменте

· энергетическая эффективность зависит от структуры преобразователя, а также технических средств, с помощью которых он реализован.

· (практически не ограничен).

Т.О. к основным достоинствам частотного регулирования АД Можно отнести:

1. высокие показатели качества

2. минимальная установленная мощность системы по сравнению с другими видами регулирования (не превышает 200%)

· как следствие наилучшие массогабаритные показатели

· возможность применения в любых производствах

· высокая степень автоматизации.

К общепринятым недостаткам частотного регулирования можно отнести:

· большое потребление реактивной мощности, низкий и как следствие «загрязнение» питающей сети.

· прямоугольность формы выходного напряжения и тока, т.е. наличие высоких гармоник и, как следствие, большие потери в двигателе.

В известной степени избавиться от 1-го недостатка является применение частотных преобразований с широтно- амплитудным регулированием (ШИР). В этом случае в структуре преобразователя в качестве входного элемента используют не управляемый выпрямитель не , а инвертор выполняет функции изменения выходного напряжения и по частоте и по амплитуде.

 

Различают 3 вида ШИР:

1. ШИР на выходе инвертора, представляющий из себя высокочастотный силовой ключ установленный перед инвертором.

2. ШИР на выходе инвертора, установленный на зажимах двигателя.

3. ШИР в самом инверторе. В этом случае часть силовых ключей входящих в инвертор работает в продолжительном режиме с периодами коммутации , связанных с выходной частотной , а другая часть силовых ключей входящих в состав инвертора работает в импульсном режиме, то выходное напряжение будет складываться из высокочастотной последовательности импульсов одинаковой ширины и амплитуды и при этом если длительность (ширину) импульса обозначать , а промежуток между 2-мя соседними импульсами , то:

то при этом .

Рис.120

 

Однако при этом форма тока и напряжения продолжается оставаться существенно не синусоидальной и, кроме того, в рассмотренной системе в качестве ШИР используют силовые ключи, мощность которых должна быть согласованна с мощностью самого двигателя, поэтому такие преобразователи применяют только в частотных ЭП малой и средней мощности.

Избавиться одновременно от 2-х указанных недостатков позволяет применение ЧП. с ШИМ. В таких преобразователях используются инверторы позволяющие регулировать выходное напряжение и по частоте и по амплитуде, а так же придавать ему необходимую форму.

 

Принцип ШИМ рассмотрим с помощью электрической схемой замещения.

Рис.121

На схеме замещения сглаженное напряжение на выходе фильтра поочерёдно с помощью высокочастотного силового ключа подключается к сопротивлению нагрузки ( - одна фаза статорной обмотки).

Если ключ замкнуть в положение 1, то работает верхняя половина источника питания. Если замкнуть в положении 2, то работает нижняя половина источника питания. Ток направлен противоположно . Если обозначить - длительность замкнутого ключа в положении 1, а длительность замкнутого ключа в положении 2, обозначим , то если = , .Если соотношение между и , представленное в виде:

изменяется по закону синуса, то:

где - называется несущая глубина модуляции, а , - несущий период., модуляции, - несущая глубина модуляции.

Т.о, изменяя глубину модуляции можно воздействовать на амплитуду выходного напряжения, изменяя несущую частоту модуляции на выходную частоту. При этом выходное напряжение будет складываться из высокочастотной последовательности импульсов одинаковых по амплитуде, но различных в зависимости от формы выходного напряжения, по ширине импульсов.

В настоящее время частотные преобразователи с ШИМ находят широкое применение при частотном регулировании. При этом энергетические показатели таких приводов следующие:

Рис.121