Законы частотного управления асинхронными двигателями

Изменение частоты напряжения, приложенного к статору двигателя переменного тока, приводит к изменению скорости вращения поля статора — синхронной скорости е, связанной с частотой питающего напряжения f ₁ соотношением

где р — число пар полюсов машины.

Наводимая в обмотках статора ЭДС E₁, равная геометрической разности подводимого к двигателю напряжения U₁ и падения напряжения на сопротивлении статора, пропорциональна _с и, следовательно, частоте f₁. Если в первом приближении пренебречь падением напряжения в статоре, то можно записать

где Ф — магнитный поток машины; С — постоянный коэффициент, определяемый конструкцией двигателя.

Уравнение показывает, что во избежание насыщения магнитной цепи и перегрева машины вследствие возрастания намагничивающего тока при снижении частоты необходимо уменьшать приложенное к двигателю напряжение, т. е. частотное регулирование скорости требует одновременного изменения частоты и напряжения. Характер изменения напряжения при регулировании частоты определяется законами частотного управления.

Законы частотного управления определяют такое соотношение частоты и величины напряжения статора, которое обеспечивает сохранение необходимой перегрузочной способности во всем диапазоне регулирования при любой зависимости момента нагрузки от скорости.

Закон частотного управления, обеспечивающий сохранение перегрузочной способности при регулировании частоты для идеализированного двигателя (сопротивление статора равно нулю, ненасыщенная машина, принудительное охлаждение), имеет вид

или ,

где , М — значения напряжения, частоты и момента нагрузки на регулировочных характеристиках; — номинальные значения указанных величин; — относительные значения напряжения, частоты и момента нагрузки.

В частности, при постоянном моменте нагрузки, не зависящем от скорости:

= const или =a.

Параметр абсолютного скольжения связан со скольжением s соотношением

Момент двигателя определяется через ток ротора

,

В случае применения реального двигателя, у которого , при снижении частоты и напряжения критический момент, уменьшается. Физически это объясняется тем, что снижение частоты приводит к уменьшению индуктивных сопротивлений статора и ротора, поэтому доля активного сопротивления статора в общем сопротивлении двигателя возрастает, его влияние на величину ЭДС увеличивается. Снижение ЭДС по сравнению с приложенным напряжением обусловливает уменьшение магнитного потока Ф и, как следствие, критического момента . Механические характеристики для этого случая приведены на рис.12.

Рис.12. Механические характеристики двигателя при частотном управлении

Из анализа этих характеристик следует, что при регулировании скорости вниз от основной за счет изменения частоты и напряжения по закону перегрузочная способность машины снижается, а при частотах, близких к нулю, работа двигателя оказывается вообще невозможной.

Очевидно, что существует такой закон изменения напряжения при регулировании частоты, который обеспечивает для реального двигателя постоянство перегрузочной способности двигателя при любой частоте.

Наиболее хорошие показатели регулирования обеспечиваются в том случае, если поддерживать постоянным поток двигателя при любом значении скорости и момента нагрузки. Для этой цели необходимо скомпенсировать падение напряжения на сопротивлении статора за счет относительного увеличения величины напряжения питания так, чтобы ЭДС двигателя изменялась пропорционально частоте . Тогда Ф = const.

Регулирование напряжения с целью стабилизации магнитного потока обусловливает необходимость измерения или потока, или величины, однозначно с ним связанной: ЭДС, тока статора и др. Канал регулирования напряжения, таким образом, должен быть замкнут по одной из перечисленных координат.

Однако даже в этом случае возможный диапазон регулирования скорости ограничен. Ограничивающим фактором является невысокая жесткость механических характеристик асинхронного двигателя.

Так, если при =const принять, что допустимый статизм (равный скольжению s) при регулировании скорости не должен превышать 10% ( ), то при реальных скольжениях на естественной характеристике ( =1) = 0, 03— 0, 06 получим

т. е. допустимый диапазон регулирования скорости равен

Увеличение жесткости механической характеристики при регулировании с Ф = const позволяет несколько повысить возможный диапазон регулирования скорости, однако для ряда механизмов такой диапазон недостаточен. В этом случае канал регулирования частоты также должен быть замкнутым.

4.4. Регулирование угловой скорости двигателя постоянного тока независимого возбуждения изменением напряжения на якоре с помощью управляемых тиристорных выпрямителей Рис.13. Регулирование напряжения при включении тиристоров по однофазной нулевой (двухполупериодной) схеме выпрямления; а — схема выпрямления; б — диаграмма напряжений; в — диаграмма токов   Выпрямленное напряжение (и выпрямленный токи содержит постоянную Ud и переменную составляющие (последняя содержит ряд гармоник). Наличие пульсаций (переменной составляющей) выпрямленных напряжения и тока ухудшает условия коммутации двигателей постоянного тока и увеличивает потери в них, поэтому на выходе выпрямителя часто устанавливается индуктивный фильтр, представляющий собой реактор, включаемый последовательно с якорем двигателя и обладающий большим реактивным сопротивлением для переменной составляющей выпрямленного тока, которая значительно уменьшается, а падение напряжения от этой составляющей на активном противлении реактора незначительно. Другим средством уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения является использование многофазных схем выпрямления.   Рис.14. Регулирование напряжения при трехфазной нулевой схеме включения тиристоров: а — схема выпрямления; б — диаграмма напряжений; в — диаграмма токов   Рассмотрим форму напряжения и тока для трехфазной пулевой схемы включения тиристоров, показанной на рис.14, а, с учетом индуктивности рассеяния, приведенной к вторичной обмотке трансформатора, и значительной индуктивности сглаживающего реактора Ld, при которой ток можно считать идеально сглаженным. Из-за индуктивности рассеяния вторичной обмотки трансформатора переход тока от одного тиристора к другому происходит не мгновенно, а в течение времени, которое соответствует так называемому углу коммутации. В интервале t1 — t2 работает тиристор VI; в момент t2. начинается процесс коммутации тока с тиристора VI на V2, в течение которого работают оба тиристора. За счет ЭДC самоиндукции, наводимой в фазе , ток спадает не сразу, а из вычитается часть напряжения, соответствующая ЭДС самоиндукции, которая препятствует росту тока так, что сумма токов и в момент коммутации остается равной выпрямленному току Id. К концу коммутации (момент t3), обозначенной углом , ток в тиристоре VI становится равным нулю, а в тиристоре V2 возрастает до значения Id. В период коммутации выпрямленное напряжение становится меньшим и равным = 1/2 ( + ); оно изменяется так, как показано на рис.14, б. К концу коммутации напряжение скачком возрастает до фазного напряжения . Следовательно, выпрямленное напряжение снижается из-за индуктивного падения напряжения, которое показано заштрихованной площадкой на рис.14, б. Среднее значение выпрямленного напряжения определяется соотношением (без учета падения напряжения на тиристоре):

где - среднее значение выпрямленного напряжения при холостом ходе выпрямителя и полностью открытых тиристорах; U — действующее значение переменного фазного напряжения; т — число фаз выпрямителя; х_Т, R_T — соответственно приведенные к вторичной обмотке индуктивное сопротивление рассеяния с обмоток фазы трансформатора и их активное сопротивление; R_L — активное сопротивление сглаживающего реактора.

Форма кривой тока приведена на рис.14, в.

Контрольные вопросы:

1. Как изменятся механическая характеристика ДПТ при уменьшении напряжения на якоре.

2. Почему необходимо добавочное сопротивление в цепи якоря ДПТ при торможении противовключением.

3. Назовите характерные участки механической характеристики в двигательном режиме АД.

4. Напишите формулу выражающую скольжение АД.

5. Приведите схему самопитания и объясните ее работу.

6. Объясните работу схемы прямого пуска и динамического торможения в функции времени.

7. Приведите схему взаимной электрической блокировки и объясните ее работу.

8. Приведите схемы управления электроприводами.

9. Объясните принцип скорости при импульсном регулировании напряжения на якоре двигателя.

10. Что и как должно изменяться при частотном управлении асинхронными двигателями?

11. Объясните работу схемы управляемого тиристорного выпрямителя при включении тиристоров по однофазной нулевой схеме выпрямления.

12. Объясните работу схемы управляемого тиристорного выпрямителя при трехфазной нулевой схеме включения тиристоров.