При невысокой точности и ограниченном диапазоне регулирования скорости АД наиболее целесообразным является его скалярное частотное управление в разомкнутой системе электропривода (рис. 5.1). В подобных системах частота f 1 и напряжение U 1 питания двигателя М формируются в преобразователе частоты UZF пропорционально сигналу управления u уэлектроприводом. Для компенсации падения напряжения во внутренних сопротивлениях преобразователя UZF и возможных колебаний напряжения его питающей сети в преобразователях частоты, как источниках напряжения, принято использовать внутренние контуры стабилизации выходного напряжения преобразователя. При этом выходное напряжение преобразователя не будет зависеть от его нагрузки и регулировочные свойства асинхронного электропривода будут определяться свойствами собственно АД при питании его от управляемого источника напряжения.
Как следует из при заметном снижении частоты преобразователя уменьшаются поток и абсолютное критическое скольжение АД, вызывая падение максимального момента и жесткости механической характеристики. В итоге падает перегрузочная способность АД по моменту, снижаются точность и диапазон регулирования скорости АД.
Для сохранения постоянства перегрузочной способности АД по моменту во всем диапазоне регулирования его скорости при различном характере изменения статической нагрузки М с (w) на валу АД между сигналами задания частоты uf и напряжения uu на входе UZF предусматривается функциональный преобразователь UF.
При М с = const и в пределах изменения относительной частоты 1³ a ³ (0,2 – 0,3) статическая характеристика преобразователя UF должна быть линейной, обеспечивая постоянство соотношения U 1/ f 1. При меньших значениях a за счет уменьшения магнитного потока Фm, вызванного падением напряжения D U на активном сопротивлении обмоток статора, критический момент АД при сохранении постоянства U 1/ f 1 уменьшается. Поэтому для сохранения постоянства перегрузочной способности АД по моменту в зоне низких частот в преобразователе UF предусматривают такое соотношение между uf и uu, при котором обеспечивается компенсация D U. Теоретически это соотношение, при котором uu снижается в меньшей степени, чем uf, характеризуется нелинейной функцией.
Для большинства серийных преобразователей частоты эта функция линеаризуется путем выбора в статической характеристике преобразователя UF двух базовых координат: uu 1 при uf 1 и uu 0 при uf 1 = 0 (рис. 5.1). Первая координата определяет задание минимального значения частоты f 1 и соответствующего ему напряжения U 1 на выходе преобразователя UZF, при которых еще сохраняется постоянство соотношений U 1 / f 1= U 1н / f 1н . Для АД общего назначения при диапазоне регулирования скорости в разомкнутой системе частотного управления до (8 – 10): 1 значение минимальной частоты практически выбирается в пределах (0,3 – 0,4) f 1н.
Вторая координата выбирается с учетом уменьшения теплоотвода заторможенного двигателя (в режиме динамического торможения) из условий ограничения тока статора на уровне (0,7 – 0,8) I 1н. При известном активном сопротивлении статорной обмотки АД это соответствует установке выходного напряжения преобразователя частоты при uf 1 = 0 на уровне U 1 @ (0,7 – 0,8) I 1н R 1.
Реально наименьшее значение выходной частоты преобразователя и соответствующее ему значение uf 1 полезно выбирать из условия f 1min @ w0н рs c /2p, при котором пусковой момент АД будет близок моменту сил сопротивления на валу двигателя. Здесь s c скольжение АД при его статической нагрузке. При подобном выборе зона нечувствительности по сигналу управления скоростью АД будет минимальной и движение электропривода начнется практически одновременно с началом увеличения сигнала управления.
При вентиляторной нагрузке на валу АД, для которой М с º w2, соотношение между uf и uu должно обеспечивать закон управления близкий к постоянству U 1/ f 12. На рис. 5.1 это соотношение качественно отражено в UF штриховой линией. Начальные значения частоты и напряжения на выходе преобразователя UZF, которые выбираются из тех же соображений, что и при М с = const, при этом будут заметно меньше за счет меньших значений пусковых моментов.
Для нагрузки с постоянной мощностью соотношение между uf и uu должно обеспечивать постоянство соотношения U 12/ f 1. Применение подобного соотношения при регулировании скорости АД выше основной, где наиболее часто используется режим постоянства мощности, требует превышения напряжения питания АД выше номинального значения и, соответственно, завышения установленной мощности преобразователя частоты пропорционально Öa. Практически это исключено и частотное регулирование скорости выше основной выполняется при U 1= U 1ном = const. При этом допустимый момент АД убывает в первом приближении обратно пропорционально увеличению частоты, что соответствует статической нагрузке, а перегрузочная способность АД по моменту уменьшается обратно пропорционально Öa.
При скачкообразном изменении сигнала управления преобразователем частоты в АД, подобно режиму его прямого пуска от сети, за счет переходных электромагнитных процессов возникают колебания токов и моментов АД с заметным превышением их номинальных значений. Для их ограничения на допустимом уровне принято ограничивать темп изменения сигнала управления u у за счет включения в цепь управления специального устройства – задатчика интенсивности. Для тех же целей, а также учитывая возможность подачи сигнала управления скачком, например при пуске АД на первоначальную минимальную скорость с частотой f 1 min (рис. 5.1) или в толчковых режимах работы электропривода, дополнительно между выходом функционального блока и входом UZF, определяющим его выходное напряжение, устанавливается множительное устройство с коэффициентом умножения, плавно меняющимся во времени от 0 до 1 (рис. 5.2). Подобное решение используется для плавного пуска АД при питании его и от регулируемых преобразователей напряжения.
В статическом режиме разомкнутая система частотного управления по рис. 5.1. с приведенными выше соотношениями U 1/ f 1 практически обеспечивает сохранение номинальной перегрузочной способности АД в диапазоне изменения частоты не более (8-10):1 при постоянной нагрузке и (10-25):1 при вентиляторной [6]. При сохранении же заданной точности регулирования скорости АД диапазон ее регулирования в разомкнутой системе частотного управления значительно меньше, не превышая при постоянной нагрузке и точности регулирования 10% диапазона 3:1. Недостатком разомкнутой системы частотного управления является и отсутствие ограничений преобразователя и АД от возможных при регулировании статических и динамических перегрузок по току.
Разомкнутая система скалярного частотно-токового управления АД, обеспечивающая постоянство абсолютного значения тока статора при изменении его частоты, из-за низкой перегрузочной способности по моменту практического применения не нашла.
Таким образом, при скалярном управлении для регулировании скорости АД с высокой точностью при заметном изменении момента нагрузки на его валу, необходимо применять замкнутую систему управления, в которой частота и напряжение питания АД будут автоматически регулироваться в функции скорости и нагрузки.
Билет
1) Показатели регулирования координат частотно-регулируемого электропривода.
2) Законы частотного управления электроприводом.
1) Влияние частотного регулирования на электромагнитные процессы в АД
Частотное регулирование угловой скорости вращения электропривода с асинхронным двигателем в настоящее время широко применяется, так как позволяет в широком интервале плавно изменять обороты вращения ротора как выше, так и ниже номинальных значении.
Частотные преобразователи являются современными, высокотехнологичными устройствами, обладающими большим диапазоном регулирования, имеющими обширный набор функций для управления асинхронными двигателями. Высочайшее качество и надежность дают возможность применять их в различных отраслях для управления приводами насосов, вентиляторов, транспортеров и т.д.
Связь между угловой скоростью вращения и частотой питающего тока вытекает из уравнения
ωо = 2πf1/p
При неизменном напряжении источника питания U1 и изменении частоты изменяется магнитный поток асинхронного двигателя. При этом для лучшего использования магнитной системы при снижении частоты питания необходимо пропорционально уменьшать напряжение, иначе значительно увеличатся намагничивающий ток и потери в стали.
Аналогично при увеличении частоты питания следует пропорционально увеличивать напряжение, чтобы сохранить магнитный поток постоянным, так как в противном случае (при постоянном моменте на валу) это приведет к нарастанию тока ротора, перегрузке его обмоток по току, снижению максимального момента.
Рациональный закон регулирования напряжения зависли от характера момента сопротивления.
При постоянном моменте статической нагрузки (Mс = const) напряжение должно регулироваться пропорционально его частоте U1/f1 = const. Для вентиляторного характера нагрузки соотношение принимает вид U1/f21 = const.
При моменте нагрузки, обратно пропорциональном скорости U1/√f1 = const.
На рисунках ниже представлены упрощенная схема подключения и механические характеристики асинхронного двигателя при частотном регулировании угловой скорости.
Схема подключения частотного преобразователя к асинхронному электродвигателю
Характеристики для нагрузки с постоянным статическим моментом сопротивления
Характеристики для нагрузки вентиляторного характера
Характеристики при статическом моменте нагрузки обратно пропорциональном угловой скорости вращения
Частотное регулирование скорости асинхронного двигателя позволяет изменять угловую скорость вращения в диапазоне - 20...30 к 1. Регулирование скорости асинхронного двигателя вниз от основной осуществляется практически до нуля.
При изменении частоты питающей сети верхний предел частоты вращения асинхронного двигателя зависит от ее механических свойств, тем более что на частотах выше номинальной асинхронные двигатель работает с лучшими энергетическими показателями, чем на пониженных частотах. Поэтому, если в системе привода используется редуктор, это управление двигателем по частоте следует производить не только вниз, но и вверх от номинальной точки, вплоть до максимальной частоты вращения, допустимой но условиям механической прочности ротора.
При увеличении оборотов вращения двигателя выше указанного значения в ею паспорте частота источника питания не должна превышать номинальную не более чем 1,5 - 2 раза.
Частотный способ является наиболее перспективным для регулирования асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором. Потери мощности мри гаком регулировании невелики, поскольку не сопровождаются увеличением скольжения. Получаемые при этом механические характеристики обладают высокой жесткостью.
2) Схемы бездатчикового определения скорости в электроприводе
В большинстве приложений, где необходимо получение хороших характеристик электропривода при минимальной его стоимости, наибольший интерес вызывают схемы бездатчикового векторного управления. Прежде всего - это атомная энергетика, в частности, перегрузочные роботы, где необходим более высокий (до 50:1) диапазон регулирования скорости и по условиям технологии исключается возможность установки датчика положения на вал ротора двигателя. К подобным системам управления (СУ) предъявляются также повышенные требования по диапазону регулирования электромагнитного момента - до 10:1.
Применительно к таким схемам термин "бездатчиковое управление" означает отсутствие датчика скорости на валу двигателя, а информация о скорости вращения и потокосцеплениях двигателя извлекается из измеренных токов и напряжений статора. Согласно [3], угловая скорость электрического поля определяется выражением:
(8.0)
где
- потокосцепления статора в неподвижной системе координат.
- число полюсов двигателя.
Структурная схема электропривода с бездатчиковым определением скорости приведена на рис. 8.1.
Рис. 8.1
Вычисление скорости производится в блоке W_Solve, изображенной на рис. 8.2.
Рис. 8.2
Переход от трёхфазной системы координат к двухфазной и обратно выполняется с помощью формул преобразования координат. Переменные в новой системе координат находятся как сумма проекций в старой системе на оси новой системы координат.
или. (8.1)
Структура преобразователя координат (ABC - ab), собранного по формулам (8.1) приведена на рис.8.3.
Рис. 8.3
На рис. 8.4 изображены напряжения и токи статора двигателя в неподвижной системе координат после фильтрации высоких частот.
Рис. 8.4
Производные потокосцеплений статора двигателя в неподвижной системе координат приведены на рис. 8.5.
Рис. 8.5
На рис. 8.6 изображены конечные сигналы, участвующие в вычислении скорости, а также скорость двигателя при бездатчиковом определении (рис. 8.7).
Рис. 8.6
Рис. 8.7
Большинство ведущих мировых производителей электроприводов Siemens, ABB, Schneider Electric, Hitachi, Danhfos и др. поддерживают в своих изделиях все три современные структуры управления ЭД: скалярного, векторного датчикового и векторного бездатчикового. Причем, для последней структуры указывается диапазон регулирования скорости до 50:1. Опыт промышленной эксплуатации таких ЭП в России показывает, что в зоне низких скоростей часто возникают колебания скорости, устранить которые настройками привода не удается и реальный диапазон регулирования скорости заметно ниже [7].
Таким образом, основные проблемы, связанные с построением бездатчикового векторного электропривода заключаются в следующем [17]:
1) Наблюдатель состояния двигателя (ЭД), построенный на основе решения полной системы уравнений электрического равновесия для статора и ротора по доступной информации о напряжениях и токах статора, способен обеспечить приемлемую точность вычисления потокосцепления и скорости только в ограниченном диапазоне частот. Это связано с известной проблемой введения начальных условий при частотах, близких к нулевой. Практически все способы решения данной проблемы связаны с введением определенного отклонения математического описания наблюдателя состояния относительно реального объекта при работе в области малых частот. Эти отклонения проявляются в виде ошибки в вычислении потокосцепления, скорости, активной и реактивной составляющих тока.
2) Следующей проблемой является чувствительность электропривода к изменению его параметров в процессе работы. Прежде всего, это относится к температурным изменениям активных сопротивлений статора и ротора, а также к изменению взаимной индуктивности в зависимости от тока цепи намагничивания. Одним из подходов к решению данной проблемы в построении векторного регулятора и наблюдателя состояния ЭД является применение регуляторов, грубых в отношении параметрических возмущений, в частности, релейных регуляторов, функционирующих в скользящих режимах. Другим подходом является параметрическая адаптация, осуществляемая в реальном времени при работе привода.
3) Третьей проблемой является получение необходимой точности оценки эквивалентных (усредненных на интервале расчета процессов в наблюдателе состояния) значений токов и напряжений статора. На точность оценки эквивалентных напряжений в области малых частот основной гармоники и высоких частот модуляции существенно влияет «мертвое время» и задержки переключения ключей инвертора. Заметим, что проблема точности измерения напряжения на малых частотах в гораздо меньшей степени проявляется в векторных электроприводах с датчиком скорости/положения, так как быстродействующий контур скорости, замкнутый по реально измеряемому сигналу, способен в значительной степени компенсировать ошибки, связанные с динамическими неидеальностями ключей инвертора.
1) Опишите разомкнутую систему скалярного управления в частотно-регулируемом АД
1) Влияние частотного регулирования на электромагнитные процессы в АД
2) Законы частотного управления электроприводом.
3) Опишите тахогенераторные работы механизма и нагрузочные диаграммы
Тахогенераторы применяют для преобразования механического вращения в электрический сигнал. На выходе тахогенератора возникает напряжение, пропорциональное частоте вращения вала какой-либо машины. Шкала прибора, включенного на выходе тахогенератора, градуируется непосредственно в оборотах в минуту (об/мин) или километрах в час (км/ч).
Исходные данные для выбора двигателя обычно представляются в виде нагрузочных диаграмм механизма, т.е. зависимостей Мс(t) и w (t) и приведенного момента инерции Jмў (см. п.2.2). Зависимость w (t) иногда называют тахограммой. Иногда Мс(t) зависит от пути, в этом случае при известной скорости можно перестроить заданный график Мс(j), получив его в виде Мс(t).
Нагрузочные диаграммы механизма, вообще говоря, могут иметь любой вид, однако всегда можно выделить цикл, т.е. промежуток времени tц, через который диаграмма повторяется. Если характер работы таков, что режимы воспроизводятся плохо (лифт, подъемный кран и т.п.), строят нагрузочные диаграммы для наиболее вероятного или наиболее тяжелого цикла.
Следует особо подчеркнуть, что для обоснованного выбора двигателя требуемая нагрузочная диаграмма механизма должна быть известна. На рис. 2 в качестве примера приведены требуемые нагрузочная диаграмма и тахограмма некоторого механизма (верхние для графика).
Рис. 2. Нагрузочные диаграммы механизма и двигателя
Для предварительного выбора двигателя по известной нагрузочной диаграмме механизма можно найти средний момент статической нагрузки
2) Формирования 3-х фазной системы с фазными напряжениями на выходе преобразователя напряжения с широтно-импульсной модуляцией
2) Структурные схемы АД электропривода при произведении ориентации системы координат и при ориентации системы по вектору потокосцепления