Замкнутые системы управления электроприводами птм. Регулируемый эп переменного тока

15.1. ОСОБЕННОСТИ ЭП ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

С ТРЕХФАЗНЫМ АСИНХРОННЫМ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕМ

 

Среди многочисленных способов регулирования скорости асинхронных трехфазных ЭД исключительная роль принадлежит частотному регулированию. В настоящее время только частотный способ позволяет регулировать скорость в широких пределах в приводе подачи или главного движения станков и ПР. Вопрос о создании и применении частотного регулируемого привода переменного тока с асинхронным короткозамкнутым двигателем вместо привода постоянного тока имеет давнюю историю. Заманчивость этой идеи связана с исключительной простотой асинхронного двигателя, являющегося традиционным для привода станков.

Высказывается мнение, что отсутствие щеточно–коллекторного узла повышает надежность двигателя и всего привода. По сравнению с современным высокомоментным ЭД асинхронный ЭД имеет меньшие размеры. Меньший момент инерции ротора позволяет получить в асинхронном ЭД высокие ускорения при относительно небольшом движущем моменте.

Асинхронный короткозамкнутый ЭД не имеет коммутационных ограничений по скорости и нагрузке, которые так усложняют эксплуатацию электродвигателя постоянного тока.

Вместе с тем использование асинхронных ЭД единой серии 4А, предназначенной для нерегулируемого привода, в системах с широким изменением скорости встречает известные трудности. Они связаны с несинусоидальностью питающего напряжения, ухудшением условий охлаждения самовентилируемых ЭД при малых скоростях и пульсацией электромагнитного момента, которая проявляется в увеличении неравномерности вращения в нижней части диапазона регулирования.

При питании асинхронных двигателей серии 4А от автономного инвертора тока или напряжения мощность на валу снижается на 8... 15%. При этом происходит снижение КПД на 2... 4% и коэффициента мощности на 0,015. При частоте 5 Гц момент ЭД снижается на 30... 40%.

Принцип частотного регулирования асинхронного ЭД базируется на линейной зависимости угловой скорости магнитного поля от частоты питающего напряжения

.

По этому принципу возможно осуществление широкорегулируемых электроприводов с жесткими механическими характеристиками. Важным преимуществом частотного привода являются благоприятные энергетические показатели. Это объясняется тем, что ЭД работает при малых скольжениях, что обусловливает малые потери и высокий КПД на всем диапазоне регулирования скорости. Это обстоятельство выгодно отличает частотное регулирование от всех других способов изменения скорости асинхронного ЭД.

При частотном регулировании одновременно с изменением частоты необходимо изменять напряжение, подведенное к статору ЭД. Это объясняется необходимостью регулирования магнитного потока во избежание насыщения, увеличения потерь в стали или уменьшения электромагнитного момента.

 

15.2. СИЛОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

 

В регулируемом электроприводе переменного тока применяют полупроводниковые тиристорные и транзисторные преобразователи частоты. Электромеханические преобразователи (генераторы переменного тока) имеют ограниченное применение.

Полупроводниковые преобразователи частоты делят на: преобразователи частоты с промежуточным звеном постоянного– тока и автономным инвертором напряжения (АИН) или тока (АИТ) и преобразователи с непосредственной связью с сетью – непосредственные преобразователи частоты (НПЧ). Автономные инверторы позволяют регулировать частоту выходного напряжения как вверх, так и вниз от номинального значения частоты сети. В НПЧ частота регулируется только вниз от номинала.

Преобразователи частоты с АИН. В таких преобразователях напряжение сети сначала выпрямляется, а затем инвертируется в переменное напряжение необходимой частоты, т. е. происходит двухступенчатое преобразование энергии по схеме переменный ток – постоянный ток – переменный ток. Преобразователь частоты представляет собой комбинацию выпрямителя (промежуточное звено постоянного тока) и автономного инвертора.

Применяют три структурных варианта преобразователей частоты с АИН, отличающихся методом регулирования напряжения: 1) амплитудное регулирование напряжения с помощью управляемого выпрямителя (рис. 15.1, а); 2) амплитудно–импульсное регулирование напряжения с помощью неуправляемого выпрямителя и широтно–импульсного преобразователя (рис. 15.1, б); 3) широтно–импульсная модуляция, осуществляемая в АИН, который в этом случае выполняет функции регулятора напряжения и частоты (рис. 15.1, в).

Рис. 15.1. Схемы преобразователей частоты с АИН

 

При амплитудном регулировании напряжения преобразователь частоты состоит из управляемого тиристорного выпрямителя, фильтра и автономного инвертора (регулирование напряжения и частоты осуществляется раздельно). Управляемый тири–сторный выпрямитель был рассмотрен в л. 14. В приводе с частотным управлением он работает точно так же, как и в приводе постоянного тока.

Автономный инвертор представляет собой реверсивный переключатель, который подключает нагрузку на постоянное напряжение, поочередно меняя полярность подключения. Схема однофазного автономного инвертора содержит четыре полупроводниковых ключа и полностью совпадает со схемой реверсивного ШИП (см. рис. 4.8, а). Принципиальным отличием является только режим коммутации ключей. Для преобразователя частоты необходимо, чтобы время работы ключей было одинаковым. Только в этом случае напряжение на нагрузке будет представлять собой симметричные разнополярные импульсы. Выходное напряжение АИН является несинусоидальным и необходимо принимать меры для уменьшения высших гармонических составляющих.

 

Рис. 15.2. Схема преобразователя частоты с амплитудным регулированием напряжения и трехфазным тиристорным АИН

 

В АИН применяют транзисторные и тиристорные ключи. Схема преобразователя частоты с трехфазным тиристорным автономным инвертором представлена на рис. 15.2. Трехфазное сетевое напряжение выпрямляется двухполупериоднын регулируемым выпрямителем V и через фильтр L₀C₀ поступает на инвертор напряжения. Конденсатор С₀ большой емкости шунтирует выпрямитель по переменному току и уменьшает его внутреннее сопротивление, что характерно для источника напряжения.

Автономный инвертор представляет собой трехфазный коммутатор, преобразующий выпрямленное напряжение в периодические прямоугольные разнополярные импульсы, аппроксимирующие синусоиду напряжения. Инвертор содержит шесть силовых тиристоров VT1... VT6 и шесть коммутирующих конденсаторов C₁... С₆. При запирании силовых тиристоров конденсаторы подключаются в противофазе к соответствующему тиристору, что приводит к резкому снижению анодного напряжения.

Коммутирующие конденсаторы отделены от обмоток статора разделяющими (отсекающими) диодами VD1... VD6. Они предотвращают разряд конденсаторов на индуктивность двигателя и образование колебательного контура. Инвертор также содержит возвратный диодный мост (диоды VD7... VD12), необходимый для протекания реактивного тока, направление которого встречно включению силовых тиристоров. Цепь тока замыкается через диоды VD7... VD12 и конденсатор С₀.

Формирование выходного напряжения инвертора зависит от способа коммутации силовых тиристоров. В тиристорном инверторе на рис. 15.2 осуществляется межвентильная (2/3) –коммутация.

Запирание каждого тиристора происходит при открывании очередного тиристора той же группы в порядке чередования фаз. Для запирания тиристора VT1 используется заряд конденсатора C₁. В тот момент, когда тиристор VT1 должен быть закрыт, открывается тиристор VT2, при этом напряжение конденсатора C₁ отрицательной полярностью подключается к аноду тиристора VT1 и запирает его. Таким образом, вынужденно устанавливается угол проводимости каждого тиристора, равный 1/3 периода выходной частоты или 2л/3.

 

 

Рис. 15.3. Работа АИН при (2/3) –коммутации силовых тиристоров: а – упрощенная схема АИН, б – диаграмма работы тиристорных ключей, в – фазное напряжение, г линейное напряжение

 

Чтобы определить форму фазных напряжений на выходе АИН, рассмотрим рис. 15.3, а, где все тиристоры заменены идеализированными ключами, а порядок работы ключей поясняется на рис. 15.3, б. Нагрузка инвертора включена в звезду.

Период выходного напряжения разделен на такты длительностью /3. В первый такт, как следует из рис. 15.3, б, работают ключи Т1 и Т15. Следовательно, обмотка фазы А подключена к положительному полюсу источника постоянного напряжения, а обмотка фазы В – к отрицательному. Напряжение Un делится на этих обмотках поровну. Обмотка фазы С отключена и напряжение на ней равно нулю. Прослеживая работу тиристорных ключей по диаграмме шаг за шагом, придем к выводу, что форма фазных напряжений соответствует графикам, изображенным на рис. 15.3, в. Фазные напряжения представляют собой прямоугольные импульсы длительностью (2/3) , сдвинутые по фазе на 1/3 периода (амплитуда импульсов U_d/2).

Чтобы определить линейное напряжение, необходимо найти разность двух фазных напряжений, например: .

При амплитудно–инпульсном регулировании напряжения управляемый выпрямитель заменен комбинацией неуправляемого выпрямителя и широтно–импульсного преобразователя (см. рис. 15.1, б). Напряжение сети выпрямляется, фильтруется и регулируется с помощью ШИП. На выходе ШИП формируются прямоугольные импульсы, поэтому необходим еще один фильтр для сглаживания высокочастотных пульсации напряжения. Звено постоянного тока структурно более сложно, однако по сравнению с управляемым выпрямителем число силовых тиристоров уменьшается. Регулирование частота осуществляется АИН. Таким образом, в преобразователях частота этого типа частота и напряжение также регулируютея раздельно.

В третьем структурном варианте преобразователя частоты с АИН осуществляется широтно–импульсная модуляция (ШИМ) напряжения в самом инверторе (см. рис. 15.1, б). При этом инвертор не только изменяет частоту выходного напряжения, но и регулирует его амплитуду, что позволяет отказаться от регулируемого тиристорного выпрямителя в звене постоянного тока и использовать более простой нерегулируемый диодный выпрямитель.

Принцип действия инвертора с ШИМ иллюстрирует рис. 15.4.

Рис. 15.4. График выходного напряжения инвертора с ШИМ

 

Период синусоидального сигнала разбивается на большое число малых интервалов длительностью . На каждом интервале создаются два равнополярных импульса длительностью и . Если длительность положительного и отрицательного импульса одинакова, то среднее значение напряжения на интервале равно нулю. В противном случае получают положительное или отрицательное среднее напряжение, пропорциональное модулю разности длительности этих импульсов .

Когда один из импульсов имеет нулевую длительность, получают максимальное среднее напряжение, равное U_d – ШИМ позволяет уменьшить высшие гармонические составляющие в выходном напряжении инвертора и приблизить его к точной синусоиде. Точность аппроксимации синусоиды повышается по мере увеличения частоты коммутации, которая определяется, в первую очередь, динамическими возможностями силовых ключей. Поэтому в преобразователях частоты с ШИМ применяют ключи на силовых транзисторах.

 

15.3. Преобразователи частоты с автономными инверторами.

 

Преобразователь частоты с АИТ обеспечивает постоянство тока нагрузки независимо от режима работы, т. е. обладает свойствами источника тока. Идеальный источник тока должен иметь бесконечно большое внутреннее сопротивление. В реальных преобразователях частоты принимают меры по увеличению внутреннего сопротивления.

Преобразователь частоты с АИТ (рис. 15.5) состоит из управляемого выпрямителя, фильтра и автономного инвертора, т. е. структура АИТ совпадает со структурой АИН. Отличие заключается в том, что фильтр имеет дроссель L с большой индуктивностью и, следовательно, большим индуктивным сопротивлением, что увеличивает полное внутреннее сопротивление источника.

Рис. 15.5. Схема преобразователя частоты с АИТ

 

Кроме того, управляемый выпрямитель охвачен обратной связью по току, стабилизирующей ток по нагрузке. Схема трехфазного инвертора тока в основном совпадает со схемой инвертора напряжения (см. рис. 15.2). Однако в нем нет обратного диодного моста и конденсатора фильтра. В таком инверторе форма тока не зависит от характера нагрузки. В противоположность этому нагрузка оказывает влияние на выходное напряжение АИТ. На выходе инвертора образуются Прямоугольные импульсы тока, индуктивность нагрузки сглаживает напряжение и форма кривой напряжения отличается от прямоугольной.

 

15.4. НЕПОСРЕДСТВЕННЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЧАСТОТЫ

 

НПЧ осуществляет однократное преобразование электрической энергии, поэтому в нем нет промежуточного звена постоянного тока, и силовой преобразователь питается синусоидальным напряжением сети, изменяя его амплитуду и частоту. Такие преобразователи часто называют инверторами, ведомыми сетью. По своей структуре НПЧ является реверсивным управляемым выпрямителем, на который подается синусоидальное управляющее напряжение.

Принцип действия НПЧ поясняет рис. 15.6, а.

 

Рис. 15.6. Схема однофазного НПЧ (а), график выходного

напряжения (б) и схема трехфазного мостового НПЧ (в)

Два однофазных двухполупериодных выпрямителя V1 и V2 включены встречно–параллельно на однофазную нагрузку Z_н. Напряжение задания

.

Пусть частота задания значительно меньше частота сети ( ). В положительный полу период управляющего напряжения работает выпрямитель VI. При этом угол управления тиристорами сначала уменьшается, достигает минимума, а затем увеличивается. Это приводит к тому, что среднее значение выпрямленного напряжения изменяется примерно по синусоидальному закону. В отрицательный полупериод работает выпрямитель V2 и образуется отрицательная полуволна напряжения на нагрузке.

Очевидно, что для управления амплитудой выходного напряжения (рис. 15.6, б) достаточно изменять амплитуду напряжения, управляющего тиристорными выпрямителями. При этом произойдет пропорциональное изменение углов управления тиристоров, но синусоидальный закон останется неизменным.

Однофазные преобразователи имеют большие пульсации выходного напряжения и на практике применяют трехфазные мостовые преобразователи частоты (рис. 15.6, в). Трехфазный НПЧ состоит из трех реверсивных мостовых тиристорных выпрямителей VA, VB и VC, на которые подается трехфазное управляющее напряжение. Обмотки трехфазного исполнительного двигателя (фазы А–X, В–Y и С–Z) включены независимо на средние точки выпрямителей.

Из принципа действия НПЧ вытекает его особенность – однозонное регулирование частоты только в сторону уменьшения от

носительно частоты сети. При этом, хотя теоретически максимальная частота выходного напряжения совпадает с частотой сети, но на практике это значение примерно вдвое меньше. Из этого следует, что НПЧ выгодно применять в тихоходном электроприводе. Из принципа действия НПЧ вытекает его особенность – однозонное регулирование частоты только в сторону уменьшения относительно частоты сети. При этом, хотя теоретически максимальная частота выходного напряжения совпадает с частотой сети, но на практике это значение примерно вдвое меньше. Из этого следует, что НПЧ выгодно применять в тихоходном электроприводе.

 

15.5. ЧАСТОТНОЕ УПРАВЛЕНИЕ ЭП

 

При частотном управлении одновременно с изменением частоты питания цепи статора необходимо также изменять напряжение, подведенное к статору. Если пренебречь падением напряжения в цепи статора, то можно считать, что напряжение на обмотке статора равно ЭДС:

,

где N₁ – число витков обмотки статора.

Предположим, что U₁ = const, тогда при уменьшении частоты f₁ магнитный поток будет возрастать, что приведет к насыщению магнитной системы, увеличению потерь на гистерезис и вихревые токи, снижению КПД. Увеличение частоты вызовет уменьшение магнитного потока. При этом уменьшится момент ЭД, что также приводит к нежелательным последствиям.

Существует несколько принципов одновременного регулирования частоты и напряжения. Чаще всего стремятся сохранить постоянной перегрузочную способность ЭД, т. е. сделать так, чтобы при всех режимах отношение максимального момента к моменту сил сопротивления оставалось постоянным: = М_c/М_у = const. Таким образом, мы приходим к выводу, что напряжение необходимо регулировать не только в функции частоты, но и в функции нагрузки.

Критический момент трехфазного асинхронного ЭД

.

Если пренебречь активным сопротивлением статора, то

Индуктивное сопротивление пропорционально частоте. Следовательно, критический момент прямо пропорционален квадрату напряжения и обратно пропорционален квадрату частоты, поэтому

.

Сравним между собой два режима работы асинхронного ЭД, один из которых примем номинальным.

. (15.1)

Таким образом, для сохранения постоянной перегрузочной способности необходимо изменять напряжение пропорционально частоте и корню квадратному от момента нагрузки Этот общий принцип регулирования может быть уточнен для конкретных режимов работы станочного электропривода.

При регулировании с постоянным максимально допустимым моментом можно при всех режимах принять М_с = М_{с ном}, тогда из (15.1) следует

или

. (15.2)

Механические характеристики двигателя при таком законе регулирования изображены на рис. 15.7, а.

Рис. 15.7. Механические характери стики ЭД при регулировании скорости

с постоянным моментом (а) и постоян ной мощностью (б)

 

Если регулирование производится с постоянной максимально допустимой мощностью Р = Р_ном, то можно считать, что скорость ЭД пропорциональна частоте, тогда

.

Подставив это значение в (15.1), получим

или

. (15.3)

Механические характеристики двигателя при изменении напряжения пропорционально корню квадратному из частоты представлены на рис. 15.7, б

Благодаря своей простоте зависимости (15.2) и (15.3) широко распространены на практике, однако они являются приближенными и не обеспечивают оптимального регулирования ЭД. При малых частотах и малых напряжениях на ЭД возрастает роль падения напряжения на активном сопротивлении статора. Если снижать напряжение строго пропорционально частоте, то это приведет к уменьшению магнитного потока ЭД Поэтому в частотном приводе напряжение должно снижаться в меньшей степени, чем это следует из (15.2). Для этого применяют систему –компенсации, в которой закон регулирования (15.2) заменен соотношением

= const. (15.4)

В приводах, в которых производится компенсация падения напряжения на сопротивлении статора, поддерживается постоянное соотношение между частотой и напряжением . Это напряжение отличается от напряжения сети на величину падения напряжения на активном сопротивлении статора.

Упрощенная схема частотного электропривода с – компенсацией представлена на рис. 15.8.

Рис. 15.8. Схема частотного регулируемого электропривода с IR – компенсацией

 

В приводе использован автономный инвертор напряжения АИН с промежуточным управляемым выпрямителем (УВ). Сигнал U_f определяющий заданную частоту, поступает на регулятор напряжения (РН) и систему управления тиристорами инвертора. Датчик тока (ДТ) производит измерение тока статора I₁ и вырабатывает напряжение, пропорциональное падению напряжения на сопротивлении статора I₁R₁. В функциональном преобразователе (ФП) образуется модуль разности напряжения на статоре ЭД и падения напряжения I₁R₁, который поступает на регулятор напряжения.

Этот регулятор вырабатывает управляющее воздействие, которое поступает на тиристорный выпрямитель и реализует зависимость (15.3). В результате выходное напряжение тиристорного управляемого выпрямителя изменяется так, чтобы обеспечить необходимую связь между напряжением и частотой.

Очевидно, что в приводе с IR – компенсацией существует обратная связь по напряжению статора. Кроме того, в этих приводах применяют обратные связи по скорости, току и т.п. (эти обратные связи на рис. 15.8 не показаны).