Разомкнутая система скалярного управления асинхронным электроприводом.

При невысокой точности и ограниченном диапазоне регулирования скорости АД наиболее целесообразным является его скалярное частотное управление в разомкнутой системе электропривода (рис. 5.1). В подобных системах частота f₁ и напряжение U₁ питания двигателя М формируются в преобразователе частоты UZF пропорционально сигналу управления u_уэлектроприводом. Для компенсации падения напряжения во внутренних сопротивлениях преобразователя UZF и возможных колебаний напряжения его питающей сети в преобразователях частоты, как источниках напряжения, принято использовать внутренние контуры стабилизации выходного напряжения преобразователя. При этом выходное напряжение преобразователя не будет зависеть от его нагрузки и регулировочные свойства асинхронного электропривода будут определяться свойствами собственно АД при питании его от управляемого источника напряжения.

Как следует из (п. 4.4.2) при заметном снижении частоты преобразователя уменьшаются поток и абсолютное критическое скольжение АД, вызывая падение максимального момента и жесткости механической характеристики. В итоге падает перегрузочная способность АД по моменту, снижаются точность и диапазон регулирования скорости АД.

Для сохранения постоянства перегрузочной способности АД по моменту во всем диапазоне регулирования его скорости при различном характере изменения статической нагрузки М_с (w) на валу АД между сигналами задания частоты u_f и напряжения u_u на входе UZF предусматривается функциональный преобразователь UF.

При М_с = const и в пределах изменения относительной частоты 1³ a ³ (0,2 – 0,3) статическая характеристика преобразователя UF должна быть линейной, обеспечивая постоянство соотношения U₁/f₁. При меньших значениях a за счет уменьшения магнитного потока Ф_m , вызванного падением напряжения DU на активном сопротивлении обмоток статора (п. 4.4.2), критический момент АД при сохранении постоянства U₁/f₁ уменьшается. Поэтому для сохранения постоянства перегрузочной способности АД по моменту в зоне низких частот в преобразователе UF предусматривают такое соотношение между u_f и u_u , при котором обеспечивается компенсация DU. Теоретически это соотношение, при котором u_u снижается в меньшей степени, чем u_f , характеризуется нелинейной функцией [6], практическое определение которой часто ограничено отсутствием полных паспортных данных АД.

Для большинства серийных преобразователей частоты эта функция линеаризуется путем выбора в статической характеристике преобразователя UF двух базовых координат: u_u1 при u_f1 и u_u0 при u_f1 = 0 (рис. 5.1). Первая координата определяет задание минимального значения частоты f₁ и соответствующего ему напряжения U₁ на выходе преобразователя UZF, при которых еще сохраняется постоянство соотношений U₁ / f₁= U_1н / f_1н . Для АД общего назначения при диапазоне регулирования скорости в разомкнутой системе частотного управления до (8 – 10) : 1 значение минимальной частоты практически выбирается в пределах (0,3 – 0,4) f_1н .

Вторая координата выбирается с учетом уменьшения теплоотвода заторможенного двигателя (в режиме динамического торможения) из условий ограничения тока статора на уровне (0,7 – 0,8) I_1н. При известном активном сопротивлении статорной обмотки АД это соответствует установке выходного напряжения преобразователя частоты при u_f1 = 0 на уровне U₁ @ (0,7 – 0,8) I_1н R₁.

Реально наименьшее значение выходной частоты преобразователя и соответствующее ему значение u_f1 полезно выбирать из условия f_1min @ w_0н рs_c /2p , при котором пусковой момент АД будет близок моменту сил сопротивления на валу двигателя. Здесь s_c скольжение АД при его статической нагрузке. При подобном выборе зона нечувствительности по сигналу управления скоростью АД будет минимальной и движение электропривода начнется практически одновременно с началом увеличения сигнала управления.

При вентиляторной нагрузке на валу АД, для которой М_с º w², соотношение между u_f и u_u должно обеспечивать закон управления близкий к постоянству U₁/ f₁² . На рис. 5.1 это соотношение качественно отражено в UF штриховой линией. Начальные значения частоты и напряжения на выходе преобразователя UZF, которые выбираются из тех же соображений, что и при М_с = const, при этом будут заметно меньше за счет меньших значений пусковых моментов.

Для нагрузки с постоянной мощностью соотношение между u_f и u_u должно обеспечивать постоянство соотношения U₁²/f₁. Применение подобного соотношения при регулировании скорости АД выше основной, где наиболее часто используется режим постоянства мощности, требует превышения напряжения питания АД выше номинального значения и, соответственно, завышения установленной мощности преобразователя частоты пропорционально Öa. Практически это исключено и частотное регулирование скорости выше основной выполняется при U₁= U_1ном = const. При этом допустимый момент АД убывает в первом приближении обратно пропорционально увеличению частоты, что соответствует статической нагрузке, а перегрузочная способность АД по моменту уменьшается обратно пропорционально Öa.

При скачкообразном изменении сигнала управления преобразователем частоты в АД, подобно режиму его прямого пуска от сети, за счет переходных электромагнитных процессов возникают колебания токов и моментов АД с заметным превышением их номинальных значений. Для их ограничения на допустимом уровне принято ограничивать темп изменения сигнала управления u_у за счет включения в цепь управления специального устройства – задатчика интенсивности. Для тех же целей, а также учитывая возможность подачи сигнала управления скачком, например при пуске АД на первоначальную минимальную скорость с частотой f_{1 min} (рис. 5.1) или в толчковых режимах работы электропривода, в ряде преобразователей частоты, в частности фирмы Siemens, дополнительно между выходом функционального блока и входом UZF, определяющим его выходное напряжение, устанавливается множительное устройство с коэффициентом умножения, плавно меняющимся во времени от 0 до 1 (рис. 5.2). Подобное решение используется для плавного пуска АД при питании его и от регулируемых преобразователей напряжения.

В статическом режиме разомкнутая система частотного управления по рис. 5.1. с приведенными выше соотношениями U₁/f₁ практически обеспечивает сохранение номинальной перегрузочной способности АД в диапазоне изменения частоты не более (8-10):1 при постоянной нагрузке и (10-25):1 при вентиляторной [6]. При сохранении же заданной точности регулирования скорости АД диапазон ее регулирования в разомкнутой системе частотного управления значительно меньше, не превышая при постоянной нагрузке и точности регулирования 10% диапазона 3:1. Недостатком разомкнутой системы частотного управления является и отсутствие ограничений преобразователя и АД от возможных при регулировании статических и динамических перегрузок по току.

Разомкнутая система скалярного частотно-токового управления АД, обеспечивающая постоянство абсолютного значения тока статора при изменении его частоты, из-за низкой перегрузочной способности по моменту практического применения, как уже отмечалось, не нашла.

Таким образом, при скалярном управлении для регулировании скорости АД с высокой точностью при заметном изменении момента нагрузки на его валу, необходимо применять замкнутую систему управления, в которой частота и напряжение питания АД будут автоматически регулироваться в функции скорости и нагрузки.

Рис.5.1. Разомкнутая система скалярного управления асинхронным электроприводом

Рис.5.2. Разомкнутая система скалярного управления асинхронным электроприводом с

плавным пуско