Частотное управление асинхронными двигателями

Использование асинхронного двигателя в регулируемом электроприводе представляет особый интерес, т.к. АД является наиболее простым, деше­вым и надежным двигателем. Возможности его регулирова­ния, аналогичные возможностям регулирования ДНВ изменением напряжения на якоре, обеспечиваются изменением частоты на­пряжения и тока статорной обмотки. Для реализации этой возможности пи­тание двигателя необходимо осуществлять от управляемого преобразова­теля частоты.

В качестве преобразователей частоты могут использоваться электро­машинные и статические преобразователи. К электромашинным преобра­зователям относятся синхронные генераторы, приводимые во вращение ре­гулируемым двигателем постоянного тока, и асинхронные преобразова­тели частоты, вращаемые к.з. АД. К статическим преобразователям отно­сятся тиристорные преобразователи, выполняемые на базе автономных инверторов напряжения и тока, а также преобразователи, выполненные на базе силовых транзисторов.

При частотном управлении АД возникает необходимость, как отмечено ранее при рассмотрении электромеханических свойств АД, регулировать не только частоту, но и величину подводимого напряже­ния, причем напряжение регулируется не только в функции частоты, но ещё и в функции нагрузки двигателя. Регулирование напряжения только в функции частоты с учетом характеристик механизма может быть реализовано в ра­зомкнутых системах частотного управления. Регулирование напряжения в функции частоты и нагрузки можно осуществить лишь в замкнутых систе­мах.

Верхний предел регулирования частоты, следовательно, скорости АД, ограничивается прочностью крепления обмоток ротора и заметным увеличением потерь в стали статора. Нижний предел ограничен сложностью реализации источника питания с низкой частотой и возможностью нерав­номерности вращения двигателя. Как правило, напряжение при частотном управлении регулируется лишь вниз по отношению к номинальному, а час­тота вверх и вниз по отношению к основной.

Законы частотного регулирования

При выборе соотношения между частотой и напряжением, подводимым к статору АД, чаще всего исходят из условия сохранения перегрузочной способности двигателя для любой из его регулировочных механических характери­стик. Основной закон частотного регулирования (закон Костенко), известный ещё из курса электрических машин, в математической форме имеет вид

, где

М_С и М^’_C -статические моменты сопротивления соответствующие ско­рости двигателя при частотах f₁ и f^’₁.

U₁ и U^’₁ -соответствующие частотам f₁ и f^’₁ напряжения.

В относительных единицах этот закон запишется так:

, где

Из него следует, что закон изменения напряжения определяется не только частотой источника питания, но и характером изменения момента сопро­тивления механизма на валу двигателя при изменении угловой скорости.

Согласно формуле Бланка

или в относительных единицах

Учитывая, что , а, можно написать

Тогда основной закон после подстановки в формулу

значения _C , будет иметь вид:

При постоянном моменте на валу двигателя М_С

(следовательно и _С ) не зависит от скорости, а значит и частоты. Поэтому х=0 и

или

, а в именованных единицах

Полученный закон – это закон пропорционального управления. Механические характеристики двигателя при этом законе изобра­жены на рисунке. Жесткость характеристик сохраняется сравнительно вы­сокой. Критический момент в зоне частот, близких к основной, практически остается неизменной. Однако при значи­тельном снижении чистоты (ниже 0,5f_1H ) сопротивление становится соизмеримым по величине с сопротивлением r₁ статора или даже меньше его. Влияние падения напряжения на r₁ становится весьма заметным, к намагничивающей цепи двигателя подводится тем меньшее напряжение, чем меньше частота. Это вызывает уменьшение критического момента, следовательно, перегрузочной способ­ности двигателя.

Плавное регулирование до f₁=0 при этом законе невозможно. Невозможно также обес­печить устойчивую работу двигателя при М_с=const в широком диапазоне регулирования частоты.

Закон пропорционального регулирования можно легко реализовать при разомкнутой системе, Этот закон целесообразен только для крупных АД, а для мелких, маломощных он малоэффективен , т.к. уже при ₁<0,5 пе­регрузочная способность двигателя заметно снижается (у них большое r₁). Потери в двигателе больше, чем при основном законе.

При идеальном вентиляторном моменте сопротивления x=2 , ₀=0 и

или

Механические характеристики при этом законе изображены на рис. При постоянной мощности статической нагрузки Р_С=const или : В этом случае Х=-1 Приняв ₀=0, получим закон управления

или

Механические характеристики при этом законе имеют вид, изображенный на рисунке. Возможны также законы, обеспечивающие постоянство потокосцеплений статора __S=const, ротора __r=const, взаимного потокосцепления статора и ротора _m=const. Возможен закон поддержания относительной частоты тока ротора (_=const), абсолютной частоты тока ротора (f₂=const), закон управления по ЭДС и мо­менту

или