suep_metod_sem2 / suep_metod_sem2 / 5.13 - СУЭП на основе АД с ф.р

СУЭП НА ОСНОВЕ АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ С ФАЗНЫМ РОТОРОМ

Управление АД с фазным ротором, кроме регулирования частоты напряжения статора, может осуществляться путём введения в цепь ротора:

1.Добавочного сопротивления.

2.Добавочной ЭДС.

Первый способ, описанный, в частности, в [Башарин], относится к параметрическим, неэкономичен, и поэтому применяется для приводов малых мощностей или для управления непродолжительными пусковыми режимами.

При втором способе преимуществом является полезное использование мощности скольжения, передаваемой в цепь ротора. При этом основной трудностью является согласование вводимой в ротор добавочной ЭДС с собственной ЭДС ротора, которая, как известно, имеет амплитуду и частоту скольжения. Поэтому при втором способе управления возможны 2 варианта:

1) введение в роторную цепь ЭДС постоянного тока (асинхронно-вентильный каскад);

2) введение в ротор добавочной ЭДС Ed переменного тока, согласованной с ЭДС ротора ЕR по частоте, амплитуде и фазе (машина двойного питания).

В обоих случаях важным преимуществом является возможность управления мощными высоковольтными АД (номинальное напряжение статора – 3 кВ, 6 кВ, 10 кВ), имеющими низковольтную обмотку ротора (220 В, 380 В, 660 В).

Асинхронно-вентильный каскад

Принцип управления

Силовая схема АВК показана на рис.4.71.

Каскад состоит из двигателя М, выпрямителя НВ, ведомого сетью инвертора УИ и сглаживающего дросселя L. Кроме того, для пуска может применяться реостатный резистор Rp. Выпрямитель НВ предназначен для выпрямления тока ротора, имеющего частоту скольжения fR=fS∙s. Таким образом, энергия скольжения, индуцируемая в обмотках ротора, преобразуется в энергию постоянного тока и отдается в питающую сеть посредством инвертора УИ и согласующего трансформатора Тр. Это обусловливает высокий к.п.д. АВК.

В цепь выпрямленного тока ротора вводится добавочная ЭДС постоянного тока, определяемая средним выходным напряжением инвертора Ud.и. Она ре-

гулируется углом опережения 180 вентилей инвертора, который обычно изменяют в пределах 15…90°. Величина выпрямленного тока ротора определяется разностью выпрямленной ЭДС ротора Ed. p и ЭДС инвертора Ed.u :

Id	Ed.p Ed.u ,	(1)
	Rекв

где Rекв 2rmp 2rдв rдр 3xдвs 3xmp

Рис.4.71. Силовая схема АВК.

Выпрямленная ЭДС ротора:

– эквивалентное сопротивление цепи

выпрямленного тока;

s 1 0 – скольжение АД; rдв , xдв – активное и индук-

тивное сопротивления короткого замыкания АД, приведенные к обмотке ротора;

rmp , xmp – активное и индук-

тивное сопротивления фазы трансформатора, приведенные к его вторичной обмотке;

rдр – активное сопротивление

дросселя в звене постоянного тока;

3x	дв	I	d	s	,	3xmp Id	– падения

напряжения от перекрытия анодов НВ и УИ, обусловленные наличием коммутации.

Ed.p kcx.вERф.H s 2 Uв,	(2)
а противо-ЭДС инвертора –
Ed.u kcx.u E2ф.тр cos 2 Uu .	(3)

В этих выражениях:

ERф.H – номинальная фазная ЭДС ротора (при скольжении s 1); E2ф.тр – фазная ЭДС вторичной обмотки трансформатора инвертора;Uв, Uu – падения напряжения на вентилях НВ и УИ;

kcx.в , kcx.u – коэффициенты схем НВ и УИ (обычно используются трехфазные мостовые схемы, тогда kcx.в kcx.и 2,34 ).

Подставив (2) и (3) в (1), и пренебрегая падением напряжения в вентилях, для выпрямленного тока можно получить выражение:

			Id		2,34ERф.H s s0 ,	(4)
					Rекв
где	s0		E2ф.тр cos	– фиктивное скольжение идеального холостого хода (при
			ERф.H

Id 0 ) для конкретного .

Мощность скольжения АД, передаваемая из цепи ротора в цепь постоянного тока:

	3x	дв	I	d	s	(5)
Ps Ed. p					Id .

Момент двигателя может быть определен по формуле:

M	P		Ed. p 3xдвId s	Id ,	(6)
	s		s 0
	s 0

подставив в которую (2) и (4), получим:

	2,34ERф.H 2		Rекв			3xдв		2
	R					s s0		s s0	,	(7)
M					0		0
	екв

что есть приближенным аналитическим выражением для механической характеристики АВК (рис.4.72).

Механические характеристики имеют высокую жесткость (почти как у естественной характеристики ЕХ), и перемещаются параллельно друг другу при увеличении противо-ЭДС инвертора (за счет уменьшения угла ). Из-за несинусоидальности тока ротора перегрузочная способность двигателя в схеме АВК снижается (примерно на 20%).

При угле регулирования = max = 90° противо-ЭДС инвертора Ed.u = 0, и достигаемая скорость двигателя наибольшая. Если при наличии статического момента МС уменьшить угол управления (например, установить = 1), то про- тиво-ЭДС инвертора станет больше, чем выпрямленная ЭДС ротора Ed. p . То-

гда ток ротора уменьшится до нуля. Одновременно уменьшатся до нуля мощность скольжения (5) и момент двигателя (6). Скорость АД будет уменьшаться

	s				под действием статического
					момента, при этом будет
	0
0					расти	скольжение и			ЭДС
	s01		ЕХ		ротора.		Когда скольжение
			max=90°		превысит (для нашего при-
					мера) величину s01, в цепи
	s02		1< max		ротора возникнет ток, и
					двигатель перейдет				на ра-
	s03		2< 1		боту по механической ха-
					рактеристике,			соответст-
					вующей s01. Для дальней-
			3< 2		шего	снижения		скорости
					следует		еще	уменьшить
				M	угол , т.е. увеличить про-
					тиво-ЭДС инвертора.
	MC	M	max	Mk		Для увеличения ско-
Рис.4.72. Механические характеристики АВК.					рости		нужно	уменьшить
					Ed.u ,	при этом ток ротора

возрастет, момент увеличится, и двигатель разгонится. По мере разгона будут уменьшаться Ed. p , следовательно, ток и момент двигателя, пока не будет дос-

тигнута точка статического равновесия М = МС.

Диапазон возможного регулирования скорости ограничен величиной максимально возможного скольжения

s0 min E2ф.тр cos min ,

ERф.H

которая, в свою очередь, определяется номинальным вторичным напряжением обмотки трансформатора Тр. Поэтому АВК применяют для привода механизмов с вентиляторным характером нагрузки, для которых, как правило, не требуется диапазон регулирования больше (2…3) : 1. В этом случае техникоэкономические показатели привода будут наилучшими. Разгон до скорости, соответствующей нижней границе диапазона регулирования, обычно выполняют с помощью пускового реостата (см. рис.4.71).

АВК как объект регулирования

Параметрами, определяющими динамику АВК как объекта регулирования, являются параметры звена постоянного тока.

Уравнение (1) для выпрямленного тока в динамике имеет вид:

E

E

R

I

L

dId

,

(8)

d.p

d.u

екв

d

екв

dt

где L

L

L

L

2

x

дв 2

xmp

L

–

эквивалентная

индуктивность

S

екв

дв

mp

дp

S

дp

цепи постоянного тока.

Выражение для момента АД (6) можно линеаризовать, если задаться настроечным значением выпрямленного тока Ido , соответствующего средней нагрузке. Тогда

M	2,34ERф.H 3xдвIdo		Id cдвId .	(9)
	0

Представляя УИ апериодическим звеном по аналогии с тем, как это выполнялось в СУЭП постоянного тока, дополняя (2), (8), (9) уравнением движения привода, можно построить структурную схему АВК как объекта регулирования (рис.4.73). На схеме обозначено:

Ed 0. р 2,34ERф.H – максимальная ЭДС на выходе выпрямителя;

Tекв LеквRекв – электромагнитная постоянная времени цепи выпрямлен-

ного тока;

k , T – коэффициент усиления и эквивалентная малая постоянная времени

инвертора.

Представленная структурная схема является достаточно точной при рассмотрении работы АВК на линейной части механических характеристик. Вместе с тем следует отметить следующие особенности объекта:

Ed 0. p

k	1 R			1
T p 1	екв		сдв
	Teкв p 1			Jp

Ed 0. p

0

Рис.4.73. Структурная схема АВК как объекта регулирования.

1. Сопротивление Rекв , следовательно, и постоянная времени Tекв в дей-

ствительности являются переменными величинами, поэтому при определенном сочетании параметров АД (xдв rдв rmp rдp) реальные процессы могут зна-

чительно отличаться от расчетных.

2.В рассмотренной структуре АВК с НВ (рис.4.71) направление потока энергии однозначно, и приводной двигатель не может быть переведён в генераторный режим. Следовательно, если изменение скорости привода в сторону её увеличения можно контролировать путём воздействия на систему управления инвертором, то при необходимости уменьшения скорости вращения после снижения выпрямительного тока до нуля привод становится неуправляемым, и характер переходного процесса определяется только моментом инерции и моментом сопротивления. Возможность возникновения неуправляемого режима при |Edp|<|Edи| не учтена в структурной схеме рис.4.73.

3.На работе АВК сказывается также наличие в схеме замкнутого контура, образованного вентилями выпрямителя и инвертора. Это проявляется, если во

время переходного процесса угол регулирования превысит значение 90° ,что может произойти из-за большого коэффициента усиления замкнутой системы, тогда инвертор перейдёт в выпрямительный режим. При этом в контуре, минующем цепь ротора АД, возникнет ток значительной величины – аварийный режим.

4. Из-за наличия в намагничивающей силе ротора пространственных гармоник третьего порядка в статорной цепи АД возникают колебания реактивной мощности, которые в наибольшей степени проявляются при скоростях, близких к 2/3ω0.

Замкнутая система по схеме АВК и ее настройка

Структурная схема АВК (рис.4.73) подобна структурной схеме ДПТ при управлении по цепи якоря, поэтому замкнутая система регулирования скорости строится в виде двухконтурной СПР с внутренним контуром регулирования выпрямленного тока. Функциональная схема СУЭП по схеме АВК представлена на рис.4.74, а ее структурная схема – на рис.4.75.

Передаточная функция РТ выбирается равной:

WPT p	Rекв	Tекв p 1	,
	k kд.т	TT p

где используют настроечные значения Rекв и Tекв , и принимают TT 2T . При этом следует иметь в виду, что процессы в системы могут сущест-

венно отличаться от желаемых, если Tекв близка по значению с T [Башарин]. В таких случаях используют автоматическую подстройку параметров РТ.

Рис.4.74. Функциональная схема замкнутой системы регулирования скорости по схеме АВК.

			Ed 0. p
		k	1 R			1
WPC p	WPT p
		T p 1	екв	сдв
			Teкв p 1			Jp
				Ed 0. p
		kд.m		0

kд.c

Рис.4.75. Структурная схема замкнутой системы регулирования скорости по схеме АВК.

Регулятор скорости может быть П- или ПИ-типа. Коэффициент усиления П-РС можно принять в виде:

WPT p	kд.тJ	,
	kд.ccдвTC

где TC 2TT .

Электропривод по схеме машины двойного питания

Принцип управления

Машина двойного питания (МДП) − это АД с фазным ротором, статор которого питается от стандартной сети частотой f1=50 Гц, а ротор подключён к низковольтной цепи посредством непосредственного преобразователя частоты (НПЧ), который позволяет обеспечить двухсторонний обмен энергией между цепью ротора и сетью (рис.4.76). Управление НПЧ при этом позволяет вводить в цепь ротора добавочную ЭДС, находящуюся в некотором соответствии с ЭДС ротора.

В частности, если в роторную цепь АД введена добавочная ЭДС Едоб, находящаяся в противофазе с ЭДС ротора

ЕR, и равная ей по амплитуде:

Eдоб ER.H s ER.H 1 0 ,

то можно записать:

				E		,
	0	1			доб
				ER.H

где ЕR.Н – ЭДС ротора при неподвижном роторе.

Тогда из последнего выражения следует, что, регулируя ЭДС Едоб от 0 до ЕR.Н, можно регулировать скорость от синхронной вниз до нуля. Если же добавочная ЭДС Едоб будет совпадать по фазе с ЭДС ротора ЕR, то скорость будет изменяться вверх от синхронной (т.е. во второй зоне). Вид механических характеристик МДП показан на рис.4.77.

0

M

Рис.4.77. Механические характеристики МДП.

U ya

U yb

U yc

Рис.4.76. Силовая схема МДП.

Так	как вводимая в ротор ЭДС должна иметь частоту скольжения
fR fS s ,	то диапазон регулирования скорости МДП ограничивается только

возможностями НПЧ. При нулевой схеме тиристорного НПЧ границы диапазона регулирования скорости составят 0 0,25 0 , при мостовой схеме –

0 0,5 0 , если же НПЧ выполнен по мостовой схеме на базе полностью

управляемых ключей, диапазон регулирования частоты теоретически не ограничен. При необходимости пуск двигателя до минимальной рабочей скорости выполняется так же, как и в схеме АВК.

Основным преимуществом МДП является то, что установленная мощность АД будет пропорциональной максимальному изменению скольжения за счет управляющего воздействия. Поэтому ее целесообразно применять для механизмов с ограниченным диапазоном регулирования скорости.

Машина двойного питания как объект регулирования

Векторные уравнения Парка – Горева равновесия напряжений цепей статора и ротора АД после исключения из них векторов тока статора IS и потокосцепления ротора R могут быть записаны в виде:

	US S S Lm IR p S j C S ;	(1)
UR RR IR kS p S LR pIR j C R kS S j C R LR IR ,		(2)
где S RS	LS – коэффициент затухания статора;
kS Lm	LS = 0,95…0,98 – коэффициент электромагнитной связи статора.
Электромагнитный момент
	M 3 z pkS Im S IR* .	(3)
	2
Теперь в уравнениях (1) – (3) все параметры должны быть приведены к цепи ротора.
Поскольку напряжение статора АД не регулируется, будем считать, что
	S S const , S const ,	(4)

одновременно положив RS 0 , что для двигателей, обычно используемых в ка-

честве МДП, является вполне допустимым.

Если с учетом этого разложить уравнения (1) – (3) на составляющие, записав их в синхронной системе координат x, y, ориентированной по вектору напряжения статора

uSx US US ;

uSy 0 ,

(5)

то в результате получим уравнения для цепей статора:

		US ;			Sx	0 ,	(6)
	Sy	S	S

а с учетом этого – уравнения для цепей ротора:

u

Rx

R

i

Rx

L

R

pi

Rx

S

R

k

S

R

L

i

;

R

S S

R

Ry

(7)

u

R

i

L

pi

L

i

,

Ry

Ry

R

Ry

S

R

Rx

R

R

и выражение для момента:

M	3 z		k		i		,	(8)
	2	p		S	S	Rx
где iRx – активная составляющая тока ротора (совпадающая по направлению с

вектором US ).

Дополнив (6) – (8) уравнением движения, можно построить структурную

схему МДП (рис.4.78),

где обозначено T R LR

RR – постоянная времени

US

S

рассеяния ротора АД.

Особенностью МДП

S

также

является

возмож-

R

z

ность регулирования реак-

тивной мощности QS , по-

p

требляемой

со

стороны

kS

статора. В обычной схеме

uRx

1 RR iRx

питания АД

со

стороны

3

zpkR

1

статора

двигатель

всегда

T R p 1

2

Jp

потребляет

реактивную

мощность, необходимую

LR

для создания

магнитного

1

потока,

поэтому

ток ста-

тора содержит реактивную

Lm

3

QS

составляющую.

В

МДП

uRy

1 R

kS

можно добиться того, что

R

2

намагничивающий ток бу-

T R p 1 iRy

дет частично

или

полно-

Рис.4.78. Структурная схема МДП.

стью протекать

по цепи

ротора.

При

этом

статор

может вообще не потреблять реактивную мощность, и даже отдавать её в сеть. Реактивная мощность, потребляемая статором:

QS

3 ImUS IS*

3 Im uSx juSy iSx jiSy ,

2

2

которое с учетом (5), (6) можно переписать в виде:

Q

3U

i

3

i

,

(9)

откуда ток

S

2

S

Sy

2

S

S

Sy

i

Sy

2QS .

(10)

3

S

S

Таким образом, между током iSy

и реактивной мощностью QS , потреб-

ляемой статором, имеет место взаимно однозначное соответствие.

С помощью уравнений Парка – Горева можно выразить ток ротора через ток и потокосцепление статора, тогда с учетом (10) получим:

1	1		1		2QS
iRy L	S k	S	iSy L	S	3	S	k	S		,	(11)
m			m						S
откуда следует, что между током iRy и реактивной мощностью QS											также име-

ется взаимно однозначное соответствие. Соответствующие линии на структурной схеме рис.4.78 показаны прерывистыми.

Таким образом, например, если необходимо обеспечить, чтобы QS 0, нужно обеспечить iSy 0 , или iRy S Lm . Очевидно, что очень просто можно добиться также любой требуемой величины QS .

Рассматривая совместно выражения (8) и (11), можно прийти к выводу, что, если регулировать составляющие тока ротора (или статора), то составляющая iRy будет определять реактивную мощность, потребляемую статором, а со-

ставляющая iRx – момент двигателя. Таким образом, подход к построению сис-

темы регулирования во многом аналогичен тому, что использовался в системе векторного управления АД со стороны статора.

Функциональная схема системы регулирования скорости МДП и настройка системы

Функциональная схема простого варианта системы регулирования скорости МДП показана на рис.4.79.

	sin St	cos St
			sin Rt

			cos Rt
	sin s St	cos s St
	iRx.З	iRu.З		iRa.З
				iRb.З
	iRy.З	i		i
		Rv.З		Rc.З

Рис.4.79. Функциональная схема скалярной системы регулирования скорости по схеме МДП.

Выход регулятора скорости РС является сигналом задания момента и одновременно заданием на активную составляющую тока ротора iRx . Другая со-

ставляющая (iRy ) задается независимо, исходя из требуемой реактивной мощности статора QS.