Частоты питающего напряжения

Современные промышленные вентильные преобразователи для электропривода с асинхронными электродвигателями

 

 

Регулирование угловой скорости асинхронного электропривода изменением

частоты питающего напряжения

Принципиальная возможность регулирования угловой скорости асинхронного двигателя изменением частоты питающего напряжения следует непосредственно из выражения:

.

Питание асинхронных двигателей осуществляется при этом не от общей сети, а от преобразователя частоты ПЧ, показанного на рис. 8, энергия к которому подводится от сети постоянной частоты f_1С и напряжения U_1С. На выходе преобразователя, как правило, меняется не только частота f₁, но и напряжение U₁. Для преобразования частоты могут быть использованы полупроводниковые устройства, различающиеся по принципу действия и конструкции.

Рис. 8

При регулировании частоты возникает также необходимость регулирования напряжения источника питания. Действительно, э. д. с. обмотки статора асинхронного двигателя пропорциональна частоте и потоку:

С другой стороны, пренебрегая в первом приближении падением напряжения на сопротивлениях обмотки статора, т. е. полагая , можно записать: , Или

Из приведенного выражения следует, что при неизменном напряжении источника питания и регулировании его частоты изменяется магнитный поток асинхронного двигателя. В частности, уменьшение частоты приводит к возрастанию потока и как следствие к насыщению машины и увеличению тока намагничивания, что связано с ухудшением энергетических показателей двигателя, а в ряде случаев и с его недопустимым нагревом. Увеличение частоты приводит к снижению потока двигателя, что при постоянном моменте нагрузки на валу в соответствии, с выражением приводит к возрастанию тока ротора, т. е. к перегрузке его обмоток по току при недоиспользованной стали. Кроме того, с этим связано снижение максимального момента и перегрузочной способности двигателя. Для наилучшего использования асинхронного двигателя при регулировании скорости изменением частоты необходимо регулировать напряжение одновременно в функции частоты и нагрузки.

Регулирование напряжения лишь в функции одной частоты с учетом характеристики механизма может быть реализовано в разомкнутых системах частотного управления.

Регулирование напряжения в функции нагрузки можно осуществить, как правило, лишь в замкнутых системах, в которых при использовании обратных связей напряжение при данной частоте может изменяться в зависимости от нагрузки.

По мере снижения частоты при падает доля э. д. с. по отношению к приложенному напряжению вследствие относительного возрастания падения напряжения в сопротивлении статора с ростом нагрузки, что приводит к уменьшению магнитного потока, а, следовательно, к снижению электромагнитного момента. Как следствие убывания магнитного потока и абсолютного критического скольжения по мере снижения частоты падает максимальный момент и снижается жесткость механических характеристик

(см. рис. 9).

 

Рисунок 9 – Механические характеристики асинхронного двигателя при частотном управлении по закону .

Изменение частоты источника питания позволяет регулировать скорость асинхронного двигателя как выше, так и ниже основной. Обычно при регулировании выше основной скорости частота источника питания превышает номинальную не более чем в 1,5 2 раза. Указанное ограничение обусловлено, прежде всего, прочностью крепления обмотки ротора. Кроме того, с ростом частоты питания заметно увеличиваются величины мощности потерь, связанные с потерями в стали статора. Регулирование скорости вниз от основной, как правило, осуществляется в диапазоне до 10 15. Нижний предел частоты ограничен сложностью реализации источника питания с низкой частотой, возможностью неравномерности вращения и рядом других факторов. Таким образом, частотное регулирование скорости асинхронного двигателя может осуществляться в диапазоне до 20–30.

Если при регулировании частоты напряжение изменяется таким образом, что Ф=const, то допустимый момент на валу асинхронного двигателя при частотном регулировании скорости также будет неизменным ().

Этот способ регулирования позволяет получить жесткие механические характеристики. Потери мощности при частотном управлении невелики. Это следует из выражения

с учетом того, что двигатель при изменении частоты работает на линейных участках механических характеристик, т. е. при малых скольжениях s. При наличии соответствующего преобразователя частоты можно получить любую плавность регулирования. Важно отметить, что указанные положительные свойства можно реализовать с бесконтактным асинхронным короткозамкнутым двигателем, который является наиболее простым, надежным и дешевым электрическим двигателем.

Частотное регулирование угловой скорости электроприводов переменного тока с двигателями с короткозамкнутым ротором находит все большее применение в различных отраслях техники. Например, в установках текстильной промышленности, где с помощью одного преобразователя частоты, питающего группу асинхронных двигателей, находящихся в одинаковых условиях, плавно и одновременно регулируются их угловые скорости. Примером другой установки с частотно-регулируемыми асинхронными двигателями с короткозамкнутым ротором могут служить транспортные рольганги в металлургической промышленности, некоторые конвейеры и др.

Частотное регулирование угловой скорости асинхронных двигателей широко применяется в индивидуальных установках, когда требуется получение весьма высоких угловых скоростей (например, для центрифуг, шлифовальных станков, для привода электрошпинделей в металлорежущих станках с частотой вращения до 20 000 об/мин).

Экономические выгоды частотного регулирования особенно существенны для приводов, работающих в повторно-кратковременном режиме, где имеет место частое изменение направления вращения с интенсивным торможением.

Основным недостатком электроприводов с частотным управлением является необходимость использования преобразователей частоты, которые в настоящее время характеризуются относительной сложностью по схемному исполнению и высокой стоимостью. Этот недостаток ограничивает применение частотноуправляемых электроприводов. Тем не менее, преимущества этих приводов столь значительны, что на протяжении многих лет и в настоящее время ведутся интенсивные работы по созданию преобразователей частоты для регулирования скорости асинхронных двигателей.

В случае создания приемлемых по сложности и стоимости преобразователей частоты частотноуправляемый привод с асинхронным короткозамкнутым двигателем получит широкое распространение в технике.

Основное применение в настоящее время находит частотный способ регулирования числа оборотов асинхронных двигателей реализуемый с помощью автономных инверторов напряжения построенных на полностью управляемых полупроводниковых приборах. Автономный инвертор преобразует постоянный ток в переменный, частота которого зависит от частоты коммутации полупроводниковых приборов.

Здесь выделяются два способа регулирования:

- амплитудно-частотное регулирование

- широтно-импульсное регулирование

Для одновременного регулирования напряжения и частоты (амплитудно-частотное регулирование) можно использовать управляемый выпрямитель или импульсный регулятор для регулирования напряжения, а выходной инвертор для регулирования частоты. Рассмотрим подробнее работу инвертора с амплитудно-частотным регрегулированием

При частотном способе регулирования скорости необходимо регулировать и величину напряжения. Необходимым элементом системы электропривода является преобразователь частоты и напряжения на вход которого подаются стандартное напряжение u_{1 c}частота f_{1 c}, а с выхода имаются регулируемое напряжение u_{1 рег}и регулируемая частота f_{1 рег}. Рис.10

 

 

Рис.10

 

 

Статические ПЧ могут быть без звена постоянного тока с непосредственной связью питающей сети и нагрузки и с промежуточным звеном постоянного тока.

Один их вариантов схем силовой части тиристорного преобразователя с непосредственной связью (НПЧ) приведён на рис 11.

 

Рис.11

 

НПЧ состоит из трёх одинаковых комплектов тиристоров 1, 2, 3, обеспечивающих питание трёх обмоток статора. К тиристорам подключены начала обмоток статора С1, С2, С3, а концы этих обмоток С4, С6, С6 подключены к нулевой точке трансформатора Т. Каждая фаза схемы работает независимо от остальных, поэтому принцип её действия можно рассмотреть на примере одной фазы, полагая, что нагрузка имеет активный характер (рис. 10). При активно – индуктивной нагрузке, которой являются обмотки статора, меняется лишь форма напряжения.

 

Рис.12

Так как период T_регэтого напряжения больше, чем период сетевого напряжения T ₁ , то частота напряжения на статоре асинхронного двигателя всегда меньше, чем частота питающего напряжения. Кроме того, недостатком этой схемы является необходимость нулевого вывода трансформатора.

Схема ПЧ со звеном постоянного тока состоит из двух основных блоков (рис. 13): Управляемого выпрямителя и инвертора.

 

Рис. 13

Напряжение сети стандартной u₁ частоты f₁ подаётся на вход управляемого выпрямителя, преобразующего переменное напряжение u₁ в постоянное Е₀, которое можно регулировать в широких пределах с помощью блока управления выпрямителем. Выпрямленное и регулируемое напряжение Е₀, подаётся на вход инвертора, который преобразует его в трёхфазное напряжение регулируемой частоты f_{1 рег}, поступающее на асинхронный двигатель. Частота выходного напряжения инвертора f_{1 рег} регулируется блоком управления инвертором в функции сигнала управления U_у. ПЧ со звеном постоянного тока позволяют плавно регулировать частоту напряжения на статоре как ниже, так и выше сетевой.

Автономные инверторы делятся на инверторы напряжения АИН и тока АИТ.

В автономных инверторах для коммутации тока используются дополнительные элементы – тиристоры, диодыконденсаторы и катушки индуктивности.

источнику напряжения (например, управляемому выпрямителю) на выходе которого устанавливается конденсатор большой ёмкости. Автономные инверторы тока АИТ питаются от источика тока (например, управляемого выпрямителя через реактор большой индуктивности. Управляющими воздействиями здесь для АД являются частота и ток статора. В ПЧ со звеном постоянного тока регулирование напряжения на нагрузке (статоре АД) производится двумя способами – или с помощью специального регулятора напряжения, или самим инвертором. В первом случае может быть использован управляемый выпрямитель (амплитудное регулирование напряжения) или широтно – импульсное регулирование (ШИМ). Второй способ связан с совмещение функций регулирования частоты и напряжения в самом инверторе.

 

 

Рис. 14 Схема инвертора ток