курсач ЭП

щения поля статора при f1Н; рП – число пар полюсов АД; R1, R’2, xk = x1 + x2’ –

активные и индуктивные сопротивления обмотки статора и ротора.

При отсутствии данных о параметрах схемы замещения АД R1, R’2, x1 ,

и x'2 для их расчета применяется, представленная ниже, приближенная мето-

дика, которая опирается на основные паспортные данные асинхронного дви-

гателя (Приложение 2):

1. Рассчитывается величина потерь в номинальном режиме

ΔP Pэ Pн 3U1фн I1н cos н Pн ,				(4.8)
где Pэ – активная электромагнитна мощность потребляемая двигателем из се-
ти в номинальном режиме;
Pн – номинальная мощность двигателя;
U1фн – номинальное фазное напряжение;
I1н – номинальный фазный ток статора;
cos н – номинальный коэффициент мощности.
2. Рассчитываются полные потери мощности
ΔP ΔP ΔP ΔP			,	(4.9)
1	2	мех

P1 – потери мощности в статорной цепи двигателя;

P2 – потери мощности в роторной цепи двигателя;

Pмех – механические потери мощности.

3. Рассчитываются суммарные потери в роторной цепи и механические потери

ΔP2 ΔPмех	Pэл н Pн	Mэл нω0 Pн ,	(4.10)
где M эл н 1,05 Pн ωн – электромагнитный номинальный момент двигателя;
н – номинальная угловая скорость двигателя;
0 – угловая скорость идеального холостого хода двигателя.
4. Рассчитываются потери в статорной цепи
ΔP ΔP ΔP ΔP .			(4.11)
1	2	мех

5. На основании величины потерь в статорной цепи рассчитывается ак-

тивное сопротивление статора

31

			ΔP				,
R1						1			(4.12)
			3I			2
					1н
6. На основании данных режима короткого замыкания асинхронного
двигателя рассчитывается приведенное активное сопротивление ротора
R2'		M		п	ω
							0	,	(4.13)
			3I			2
						п

где Mп = mп Mн – пусковой момент двигателя;

где mп M п M н – отношение пускового момента АД к номинальному;

Iп – пусковой ток двигателя.

7. На основании данных режима короткого замыкания асинхронного двигателя рассчитывается индуктивное сопротивление короткого замыкания

x	U12нф	R	R'	2 .	(4.14)
к	I 2	1	2
	п
8. Индуктивные сопротивления статора и ротора принимаются при-
ближенно одинаковыми по величине

x1 x'2 xк 2 .

9.Индуктивные сопротивления x1 x'2 L 1 0 эл.н , x L12 0 эл.н .

10.0эл.н 2f1н – электрическая скорость вращения поля статора при но-

минальной частоте f1н.

Влияние законов регулирования напряжения на вид механических ха-

рактеристик при частотном регулировании рассмотрим на примере электро-

двигателя ЭПЧ-3, технические характеристики и экспериментально опреде-

ленные параметры схемы замещения которого, приведены в табл. 4.3, меха-

нические характеристики и зависимости потокосцепления от нагрузки

при различных законах регулирования приведены на рис. 4.4.

32

Таблица 4.3

	Название параметра	Тип электрического двигателя
		ЭПЧ-3

	Рн ,кВт							3,0
	f1 , Гц							400
Номинальные данные	n ,об			мин				12000
	c
	U н ,В							220
	М н ,Н м							2,5
	mп			М п				1,2
				М н
	mk			М k				2,6
Механическая характеристика				М н
	I *				Iн			5,0
	п				Iп
	Sн ,%							2,8
	Sk ,%							13,5
	КПД							0,81
Энергетические показатели
(номинальный режим)
	сos 1							0,8
	x ,Ом							17
	R1 ,Ом							0,31
Параметры схемы замещения	x1 ,Ом							1,2
	R2' ,Ом							0,32
	x'2 ,Ом							1,1

33

	f * ( f1 / f1H )					Sa
				1
0,8	н					0,2
		3		2
0,6		4				0,4
0,4					1
						0,6
		3		2
0,2						0,8
	2	4
	4	3	1
						M 1,0
0	1	2	3	4
						M н	а)
Рис. 4.4 а. Механические характеристики ЭПЧ-3

*
				0
				1( f * 1; f * 0,5; f * 0,1 )
1			н			2( f *	1; f * 0,5; f * 0,1 )
					3( f *	1; f * 0,5; f * 0,1 )
0,8						4( f *	1 )
					4( f * 0,5 )
0,6					4( f * 0,1 )
				1	2	3	4	M
								M н	б)
0	– потокосцепление АД в режиме холостого хода

Рис. 4.4.б. Зависимости f M		при различных законах управления
		M н
	при: f* = 1; f* = 0,5; f* = 0,1 для двигателя ЭПЧ-3.
1 2	const;2 const;3 1c		const;4	U	1	f	const
							1

34

	При всех законах управления, за исключением случая U1 f	const,
		1
*	f не зависит от f * , чем и объясняется независимость критического

момента от частоты. В этом случае при уменьшении частоты механические характеристики смещаются вниз, не деформируясь. При управлении по зако-

ну U1 f1 const на низких частотах проявляется влияние падения напряже-

ния на активных сопротивлениях статора R1 , независящего от частоты.

При законах регулирования 2

const, const и 1c

const

обеспечивается высокая перегрузочная способность во всем диапазоне регу-

лирования скорости при изменении частоты f1 и обеспечивается, в разомкну-

тых системах управления, диапазон регулирования скорости до 8:1.

4.2.1. Разомкнутые системы скалярного управления в частотно-

регулируемом асинхронном электроприводе

При небольшом диапазоне регулирования наиболее целесообразным

является управление в разомкнутых системах (рис. 4.5).

	ЗИ
U	U
	у
	t

							~
	ПЧ				U yf1
U ун
Uун		ФП			U	ун	ИН
1
U ун0	U	уf 1	U	уf

f1 var М U1 var

Рис. 4.5. Функциональная схема разомкнутой системы ПЧ – АД

35

В системах c ПЧ на базе автономного инвертора напряжения ИН f1 и U1

на статоре АД формируются пропорционально напряжению управления U у .

Для сохранения перегрузочной способности АД по моменту при законе час-

тотного регулирования U1 f1 const , при уменьшении f1 в функциональном преобразователе (ФП) предусматривается такое соотношение между напря-

жением управления частотой U уf 1 и напряжением U ун , при котором обеспе-

чивается компенсация падения напряжения на активных сопротивлениях об-

мотки статора. Это соотношение характеризуется нелинейной функцией, ко-

гда U ун снижается в меньшей степени, чем U уf 1 .

У большинства серийных ПЧ эта функция реализуется путем выбора в характеристике ФП двух (или нескольких) базовых координат – U ун1 при

U уf 1	и U у0 при U уf 0 (рис. 4.5). Первая координата определяет задание мини-
мального значения частоты					f1 и соответствующего ей напряжения U1 на вы-
ходе	ПЧ,	при		которых	еще сохраняется равенство соотношений
U1 f	U1ном	f		.
	1		1ном
	На практике наименьшее значение выходной частоты преобразователя

f1 min , которая определяет достижимый диапазон регулирования скорости при

заданных пределах изменения нагрузки M c min и M c max					соответствующие ему
значения U	уf 1	, полезно выбрать из условия	f1min	0ном	рп Sc max	2	,	при котором

пусковой момент двигателя будет близок моменту M c max . Здесь Sc max – сколь-

жение АД при нагрузке M c max . В этом случае зона нечувствительности по сиг-

налу управления скоростью АД будет минимальной и его движение начнется практически одновременно с началом увеличения сигнала управления.

Вторая координата выбирается с учетом уменьшения теплоотдачи за-

торможенного двигателя (режим динамического торможения) из условия ог-

раничения тока статора на уровне (0,7…0,8)I1ном. Это соответствует установке

36

выходного напряжения ПЧ при Uуf0 на уровне U1 (0,7…0,8)I1номR1,где R1 активное сопротивление обмотки статора АД.

Ограничение токов и моментов АД при пуске и торможении достигает-

ся ограничением темпа изменения U уf 1 («мягкий пуск») за счет включения в цепь управления задатчика интенсивности (ЗИ).

Недостаток разомкнутой системы – ограниченный диапазон регулиро-

вания скорости, отсутствие ограничений переменных электропривода (на-

пряжения, тока, момента) при возможных перегрузках со стороны нагрузки

или отключениях напряжений питающей сети.

4.2.2. Замкнутые системы скалярного управления

Механические характеристики АД при частотном управлении по рас-

смотренным выше законам стабилизации потокосцеплений реализуются без ограничения тока. Вместе с тем [8] при критических скольжениях и законах регулирования при стабилизации потокосцеплений 1с и 1 токи ротора

составляют примерно 70 % от тока короткого замыкания двигателя, что соот-

ветствует токам статора АД порядка (3 7)Iном. При стабилизации потокосце-

пления 2 механические характеристики не имеют критического скольже-

ния, и ток короткого замыкания I 2' кз S 1 ограничивается только активным сопротивлением ротора.

Такие токи при питании АД от преобразователя частоты (система ПЧ –

АД) недопустимы по условиям перегрузочной способности преобразователя.

Современные преобразователи частоты		имеют	стандартную
1,5-кратную перегрузочную	способность по	току при	длительности
t = (30 60)c и 2-кратную при	t 10 c . Поэтому критические моменты при

законах регулирования 1с и 1 const, момент короткого замыкания при законе 2 const недостижимы при указанных ограничениях тока преобра-

зователей частоты.

37

Наиболее распространенными замкнутыми системами скалярного управления в промышленных электроприводах являются системы с обратной связью по току статора и обратной связью по скорости.

Вариант функциональной схемы системы частотного управления АД с обратной связью по току статора АД представлен на рис. 4.6.

	ЗИ
U	U
	у
	t

									~
			ПЧ
U	U		f		U	d	U уf1	В
		1	1
	ФП						U ун	Ф
			f
				U d	корректор				ИН
К								ДТ	f1 var
	2								U1 var
								а
Модуль
							ФПТ	i1а
компенсации					К1			i1с	ДТ
скольжения				ПИ					с
								М	АД
IR компенсация
			U	отс			Imax

Рис. 4.6. Схема ПЧ-АД с обратной связью по току статора (IR – компенсация, компенсация скольжения)

Здесь информация о мгновенных значениях токов статора фаз А и С i1а, i1c с выходов датчиков тока ДТа, ДТс поступают на функциональный преобра-

зователь тока (ФПТ), в котором формируются выходные сигналы I1 и I1a,

пропорциональные действующим значениям тока статора и его активной со-

ставляющей.

Для защиты ПЧ и АД от перегрузок по току используется режим токовой отсечки. При I1>I1max ПИ-регулятор ограничения тока воздействует одновременно на уменьшение выходного напряжения ПЧ и частоты, что обеспе-

чивает постоянство магнитного потока, абсолютного скольжения и в итоге момента двигателя [8].

Для компенсации падения напряжения на внутренних сопротивлениях ПЧ и возможных колебаниях напряжения питающей сети в ПЧ, как источни-

38

ке напряжения используется внутренний контур стабилизации (обратная связь по Ud на входе Ud – корректора) выходного напряжения.

Одновременное воздействие обратной связи по активной составляю-

щей тока статора I1a на выходную частоту (модуль компенсации скольжения)

и напряжение ПЧ (IR-компенсация) обеспечивает стабилизацию скорости и сохранение перегрузочной способности АД по моменту. Повышение жестко-

сти механических характеристик АД позволяет увеличить диапазон регули-

рования до 10:1.

Увеличение диапазона регулирования по скорости можно добиться за счет введения в рассматриваемую систему управления (рис. 4.6) обратной связи по скорости.

~

U уf

1

ЗИ

U1

f1

Ud

U зс1

ПЧ

U

U

U

U

U ун

зс

(ИН)

у

ФП

t

+

f

+

Ud

корректор

БО

UРС

К1

I1а ФП i1а ДТа

ДТс

РС

Т

i1с

ПИ

IR компенсация

Uос

U

отс

Imax

АД

ДС

М

+

Рис. 4.7. Функциональная схема системы ПЧ-АД

собратной связью по скорости

Вэтом случае (рис. 4.7) на входе регулятора скорости РС суммируются сигналы задания на скорость Uзс с выхода ЗИ и обратной связи по скорости

Uос с датчика скорости (ДС). Выходное напряжение РС Uрс подается на звено ограничения (ЗО) и суммируется с результирующим напряжением с выхода

39

ЗИ и регулятора ограничения тока. С ростом нагрузки на валу АД (рис. 4.8 а)

за счет уменьшения скорости АД и сигнала Uос растет сигнал на входе РС

U∑ = Uзс – Uос ≡ ωоз – ω ≡ Sa, пропорциональный абсолютному скольжению двигателя. Здесь ωоз – заданная скорость идеального холостого хода АД, со-

ответствующая исходному сигналу управления Uзс; ω – фактическая скорость АД при данной нагрузке на его валу. При U∑ ≠ 0 сигнал на выходе РС сумми-

руется с сигналом Uзс1 = Uзс (при I1<I1max). В рассматриваемом случае (ПИ– регулятор скорости) за счет интегральной составляющей обеспечивается та-

кое приращение Uyf1, при котором выходная частота ПЧ становится равной f10(1+Sa), а скорость холостого хода ω01. Одновременно с ростом частоты растет и выходное напряжение ПЧ U1 по сравнению с начальным U10

(рис. 4.8 б). При этом скорость двигателя восстанавливается до заданного значения ω0З, обеспечивая получение абсолютно жесткой механической ха-

рактеристики АД (линия 1, рис. 4.8 а).

0 max

U1 , f1

U1

1

01

U10

02

U1min

03

f10

f1

f1min

0 min

3

2

М1

М 2

М max

М

б)

М1

М

М

U pc

2

max

U pc max

а)

М1

М 2

М max

М

в)

Рис. 4.8. Механические характеристики (а), зависимости выходного на-

пряжения и частоты ПЧ (б), напряжение регулятора скорости (в) от момента

всистеме ПЧ-АД с обратной связью по скорости

Вслучае превышения допустимого тока статора АД (I1>I1max) и, соот-

ветственно M > Mmax выходное напряжение регулятора РС за счет ЗО ограничивается на уровне Uзс.мах (рис. 4.8 в). При этом вступает в работу отрицательная обратная связь по току статора с регулятора ограничения тока, обес-

40