Управление асинхронным двигателем с короткозамкнутым ротором

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВВЕДЕНИЕ

Постоянный рост цен на электроэнергию и топливные ресурсы привели к обострению проблем энергосбережения во многих отраслях производства, особенно в энергоемких. В этих условиях электротехнические службы промышленных предприятий обратили серьезное внимание на комплекс электроприводов вспомогательных механизмов и в первую очередь на механизмы с вентиляторной нагрузкой (вентиляторы, насосы, компрессоры, воздуходувки, дымососы и др.) Механизмы этого типа являются наиболее массовыми и продолжают оставаться в своем большинстве нерегулируемыми. В целом нерегулируемый электропривод на базе асинхронного короткозамкнутого электродвигателя потребляет до 50 % электроэнергии в стране, а доля электропотребления вентиляторных приводов составляет 20-25 %.

В этих электроприводах при работе с постоянной частотой вращения отсутствует возможность снижения потребления электрической энергии при снятии технологических нагрузок. Кроме того, тяжелые условия прямого пуска вынуждают оставлять их в работе во время плановых остановок и простоев технологических агрегатов. Названные особенности эксплуатации являются главной причиной завышенного в них электропотребления. Превышение потребляемой мощности можно устранить только в случае перехода к регулированию частоты вращения. При этом достигается экономия электроэнергии на уровне 30-40 %.

Идеальным вариантом построения регулируемого электропривода является система на основе современных серийных преобразователей частоты, которая позволяет получить полностью регулируемый электропривод. При этом достигается плавное и с высокой точностью регулирование частоты вращения с реализацией при необходимости тормозных режимов.

Анализ требований по регулированию частоты вращения, предъявляемых к различным производственным механизмам, позволяет при всем многообразии разделить их на три основных типа:

1. Возможность плавного «мягкого» пуска двигателя.

2. «Мягкий» пуск и возможность длительной работы на пониженной частоте вращения (одна или несколько ступеней частот вращения).

3. Плавное регулирование с высокой точностью и в широком диапазоне с созданием, при необходимости, тормозных режимов.

Существование потенциала энергосбережения в электроприводах вентиляторов и насосов обусловлено в первую очередь тем, что большинство из них имеют завышенное электропотребление, в связи с отсутствием регулирования частоты вращения. В ряде случаев превышение потребляемой мощности составляет 40-45 %. Только при переходе к регулированию их производительности изменением частоты вращения можно осуществить эффективную экономию электроэнергии и заметно снизить превышение потребляемой мощности.

1. КОНСТРУКТОРСКАЯ ЧАСТЬ

1.1 Частотное управление электродвигателем переменного тока

До последнего времени асинхронные короткозамкнутые двигатели применялись в основном для нерегулируемых электроприводов, так как для регулирования частоты вращения требуется индивидуальный источник переменной частоты.

Появление статических преобразователей частоты расширило применение асинхронных двигателей, сохранив возможности глубокого и экономичного регулирования частоты вращения, присущие системам регулирования с двигателями постоянного тока.

В качестве статического преобразователя частоты наибольшее распространение получили два вида преобразователей :

- автономный инвертор со звеном постоянного тока, который требует предварительного выпрямления тока и последующего инвертирования. Выходная частота не связана с частотой сети и может изменяться от малых значений до нескольких тысяч герц;

- преобразователи с непосредственной связью формируют кривую выходного напряжения из напряжения более высокой частоты в напряжение низкой частоты. При естественной коммутации тока возможный верхний предел изменения выходной частоты при шестифазной реверсивной схеме в каждой фазе двигателя не превышает одной трети частоты питания. Непосредственные преобразователи иногда называют циклоконвертерами.

Законы регулирования электропривода с частотным управлением.

Как известно, напряжение фазы статора асинхронного двигателя

где - ЭДС фазы статора, вызванная главным потоком двигателя; - число витков фазы статора; - обмоточный коэффициент статора; - частота питания; - главный поток двигателя.

Из (1.1) следует, что если оставить напряжение неизменным, то при изменении частоты магнитный поток будет изменяться обратно пропорционально частоте напряжения питания. Таким образом, при снижении частоты ниже номинальный поток возрастает, что приводит к насыщению магнитопровода и к резкому возрастанию намагничивающего потока.

Возрастание частоты при неизменном напряжении приводят к недоиспользованию двигателя.

М.П.Костенко сформулировал закон частотного управления : «Если сконструировать асинхронный двигатель для частоты , момента и напряжения на зажимах и изменять затем при частоте и моменте напряжение таким образом, чтобы всегда было удовлетворено соотношение то двигатель будет работать практически при неизменном коэффициенте устойчивости, неизменном cos ц и постоянном абсолютном скольжении и к.п.д., зависящем только от изменения частоты и независящим от изменения момента на валу, если насыщение магнитной системы не слишком велико».

Если учитывать активное сопротивление обмоток статора, то для того, чтобы поток изменялся по правилам, необходимо при малых частотах увеличивать значение .

Возможны, естественно, и другие законы регулирования например по максимальному КПД. Поскольку минимальные потери в асинхронном двигателе возникают при определенном значении частоты тока ротора f2 (рис.1), то с изменением частоты так изменяют напряжение статора, чтобы обеспечить работу двигателя при оптимальной частоте ротора. Возникает необходимость независимого от изменений частоты регулирования напряжения в широких пределах.

Электромагнитный момент асинхронного двигателя может быть выражен следующим образом:

где - постоянный коэффициент; - ток ротора; - угол сдвига фаз между Э.Д.С. и током ротора

так как ток ротора, частота ротора и главный поток двигателя связаны уравнением (1.4) в процессе управления системы «преобразователь частоты - асинхронный двигатель», нужно контролировать любые две величины, например ток ротора и частоту ротора, главный поток и частоту ротора, ток ротора и главный поток.

Непосредственные измерение тока ротора невозможно. Измерение вместо тока ротора тока статора вносит некоторую погрешность. Частота ротора получается путем вычитания из частоты питания частоты вращения ротора, которая получается от частотного датчика, сочлененного с валом двигателя. Поток двигателя получается непосредственно с помощью датчика Холла. Под воздействием системы автоматического регулирования частота и напряжение преобразователя частоты в статических режимах регулируются так, чтобы обеспечивался заданный закон изменения двух из трех связанных уравнением (1.4) величин.

Применение регулирования скорости асинхронного двигателя изменением частоты питающего напряжения позволяет прежде всего снизить потери электроэнергии, идущие на нагрев двигателя. Так, КПД асинхронного двигателя характеризуется выражением:

где - мощность, потребляемая двигателем; - мощность на его валу. Если предположить, что , где - электромагнитная мощность, передаваемая через воздушный зазор ротору от статора магнитным полем (при этом пренебрегают потерями в статоре асинхронного двигателя), то

где - статический момент на валу АД; - угловая скорость вращения магнитного поля в воздушном зазоре двигателя,; - угловая частота подводимого к статору АД напряжения; - число пар полюсов обмотки статора АД на фазу; - угловая скорость вращения ротора.

Подстановка (1.6) в (1.5) в предположении, что при регулировании скорости , дает

где - скольжение двигателя.

Анализ выражения (1.7) показывает, что КПД асинхронного двигателя существенно зависит от скольжения. Потери в двигателе будут минимальны при , стремящемся к нулю, то есть при , близких к . Следовательно, чтобы регулирование было наиболее экономичным, необходимо с изменением скорости вращения ротора АД изменять и угловую скорость вращения поля в воздушном зазоре двигателя, то есть изменять частоту питающего напряжения.

Принципиальная возможность регулирования скорости вращения асинхронного двигателя изменением частоты подводимого к его статору напряжения вытекает непосредственно из выражения для синхронной скорости (скорости идеального холостого хода) АД:

где - частота питающего двигатель напряжения. Из (1.8) следует, что синхронная скорость вращения асинхронного двигателя прямо пропорциональна частоте подводимого к статору асинхронного двигателя напряжения.

Достоинством частотного регулирования скорости является то, что благодаря получающимся при этом режимам с низким скольжением выделение тепла в машине понижается, а это дает значительное повышение КПД двигателя в сравнении с ранее рассмотренными методами. Коэффициент мощности при снижении частоты в связи с уменьшением индуктивных сопротивлений обмоток асинхронного двигателя и работой двигателя при малых скольжениях также увеличиваются.

При регулировании частоты в процессе управления скоростью асинхронного двигателя возникает необходимость изменения и амплитуды (действующего значения) напряжения источника питания. Так, электродвижущая сила обмотки статора асинхронного двигателя пропорциональна произведению частоты и потока в воздушном зазоре двигателя :

где - коэффициент пропорциональности.

Также пренебрегая в первом приближении падением напряжения на сопротивлениях обмотки статора, полагаем, что ЭДС (1.9) равна подводимому к статору АД напряжению :

Как следует из выражения (1.10), при неизменном напряжении источника питания и регулировании его частоты изменяется магнитный поток в воздушном зазоре асинхронного двигателя. Так, при уменьшении магнитный поток возрастает, что приводит к насыщению магнитной системы машины и значительному увеличению тока намагничивания. Это связано с ухудшением энергетических показателей двигателя, с его недопустимым перегревом. При постоянном моменте нагрузки на валу АД увеличение частоты приводит согласно (1.10) при к снижению потока двигателя, что в соответствии с выражением для электромагнитного момента :



где - коэффициент пропорциональности; - приведенный к цепи статора ток ротора, приводит согласно (1.11) к росту тока ротора , то есть к перегрузке его обмоток по току, тогда как сталь оказывается недоиспользованной. Кроме того, увеличение частоты при неизменной амплитуде питающего напряжения связано со снижением критического момента двигателя или его перегрузочной способности.

Для того, чтобы использование асинхронного двигателя при регулировании его скорости было наилучшим, необходимо с изменением частоты подводимого к статору двигателя напряжения одновременно изменять и его амплитуду (действующее значение). При этом соотношение между амплитудой и частотой питающего напряжения двигатель напряжения определяется требованиями, предъявляемыми к статическим и динамическим режимам работы двигателя.

Таким образом, регулирование скорости асинхронных двигателей путем изменения амплитуды и частоты напряжения на его зажимах обеспечивает экономичное, непрерывное регулирование скорости в широких пределах, является одним из наиболее перспективных методов регулирования скорости этого типа двигателей.

1.2 Принципы построения частотно - регулируемых электроприводов с асинхронными двигателями

В процессе анализа статических и динамических режимов работы асинхронной машины могут быть установлены основные соотношения между координатами и параметрами АД, исследование которых позволяет выявить рациональные принципы построения систем частотного управления асинхронными двигателями. При этом, как известно, режим работы АД (момент, скорость, ток, потери, КПД, коэффициент мощности и.т.п.) однозначно определяется для конкретной частоты подводимого к статору АД напряжения, если при заданном скольжении задан также магнитный поток в воздушном зазоре двигателя или ток его статора, что и обусловливает при построении систем частотно-регулируемого электропривода с АД выбор управляющих работой двигателя воздействий. При заданном потоке в качестве управляющих воздействий принимаются амплитуда (действующее значение) и частота напряжения, подводимого к статору АД, (системы с инверторами напряжения), при заданном токе - амплитуда (действующее значение) и частота тока статора (системы с инверторами тока).

При формировании статических характеристик электропривода с частотно-регулируемым АД так же, как и в электроприводах постоянного тока, необходимо обеспечить требуемые перегрузочную способность и жесткость механической характеристики двигателя во всем диапазоне регулирования его скорости.

Обеспечение необходимой перегрузочной способности при ограниченном диапазоне регулирования может быть реализовано в разомкнутых системах путем применения соответствующих законов частотного управления, под которыми подразумеваются соотношения между амплитудой и частотой подводимого к статору АД напряжения. При этом для разомкнутых систем частотного управления характерно регулирование амплитуды питающего двигатель напряжения лишь в функции его частоты с использованием соответствующего функционального преобразователя. Следует отметить, что и без использования обратных связей (в разомкнутой системе жесткость механических характеристик частотно-управляемых электроприводов с асинхронными двигателями оказывается боле высокой, чем у приводов постоянного тока, что в ряде случаев способствует применению простых систем управления асинхронными электроприводами, не оснащенными, например, датчиками скорости и контурами регулирования скорости.

Применение разомкнутых систем, где в качестве управляющих воздействий используются амплитуда и частота тока статора двигателя, практически исключено ввиду необходимости значительного увеличения магнитного потока, напряжения и тока статора для получения требуемого максимального момента, что недопустимо для длительных режимов работы АД, или значительного, примерно вдвое, завышения мощности двигателя, что также не может быть оправдано.

Задача обеспечения требуемой жесткости механических характеристик (большей, чем на естественных характеристиках в разомкнутых системах) решается путем замыкания системы с введением обратных связей, воздействующих или на амплитуду и частоту напряжения (тока) статора одновременно, или на одну из этих величин. При этом для обеспечения необходимой точности стабилизации скорости используются обратные связи, например, по скорости вращения АД, его абсолютному скольжению. Обеспечение заданной перегрузочной способности решается, как правило, путем организации контура стабилизации магнитного потока двигателя с использованием обратных связей по магнитному потоку, ЭДС, току статора, абсолютному скольжению, скорости. В зависимости от требований, в частности, к статическим характеристикам электропривода и принятых рациональных путей их удовлетворения система частотного управления скоростью АД может быть построена как многоконтурная.

Кроме того, к характеристикам двигателя или системе частотного управления в целом могут быть предъявлены дополнительные требования, такие, как обеспечение характеристик экскаваторного типа; реализация задач оптимального управления - обеспечение требуемых момента и скорости АД при минимальных значениях, например, потребляемого тока, активной или полной мощности или при максимуме КПД, коэффициента мощности; обеспечение максимума момента при заданном токе статора и др. Эти дополнительные требования могут быть реализованы также посредством замкнутых систем, построенных, например, по принципу систем стабилизации с переменным коэффициентом усиления при экстремальных.

Значительное внимание в настоящее время уделяется системам частотного управления, выполненным в соответствии с принципами частотно-токового и векторного управления.

При частотно-токовом управлении АД в обмотки электрических машин задаются токи с мгновенными значениями, определяемыми выходным сигналом (требуемым моментом), угловым положением (или скоростью его изменения) ротора и отвечающими требованиями, которые предъявляются к мгновенным значениям токов многофазной симметричной системы. При этом система автоматического регулирования обеспечивает выполнение параметрической зависимости между током статора и частотой тока ротора в соответствии с принятым законом регулирования.

Принцип векторного управления машинами переменного тока основан на преобразовании измеренных в неподвижной системе координат двигателя (токов, потокосцеплений и.т.п.) к вращающейся системе координат, в результате чего могут быть выделены постоянные значения, пропорциональные составляющим векторов соответствующих величин во вращающейся системе координат, регулирование которых позволяет осуществить раздельное управление скоростью и, например, потоком двигателя. При этом одна из осей, как правило, действительная, комплексной плоскости вращающейся системы координат принимается совпадающей с обобщенным вращающимся вектором выбранной, рациональной для разрабатываемой системы переменной.

Таким образом, как и во всех других типах электроприводов, выбор принципов построения системы частотно-регулируемого привода с асинхронным двигателем определяется предъявляемыми к нему требованиями статических и динамических режимов работы.

Разработка и создание систем автоматизированного электропривода, исполнительным органом которого является частотно управляемый асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором, в настоящее время ориентируется преимущественно на реализацию следующих основных принципов регулирования скорости вращения ротора АД: управление с функциональным преобразованием координат двигателя, частотно-токовое управление и управление с ориентацией взаимного положения обобщенных векторов токов, напряжений, потокосцеплений АД или векторное управление.

Построение систем электропривода с функциональным преобразованием координат асинхронной машины основано на реализации в разомкнутых и замкнутых системах известных законов частотного управления. При этом следует отметить, что реализация этих законов в разомкнутых системах, когда уровень напряжения, подводимого к статору АД, изменяется лишь в функции его частоты, для двигателя, работающего в длительных режимах, невозможно подобрать закон регулирования, который обеспечивал бы одновременно требуемую перегрузочную способность и допустимый нагрев двигателя в широком диапазоне регулирования скорости вращения ротора. Кроме того, статические характеристики разомкнутых систем обладают низкой жесткостью, что существенно ограничивает диапазон регулирования скорости вращения ротора АД на уровне (1,5 : 1) - (3,0 : 1), а применение в разомкнутых системах инверторов тока по известным причинам вообще исключено.

В связи с этим системы частотно-регулируемого электропривода с функциональным преобразованием координат строятся преимущественно как замкнутые, а среди их разнообразия можно выделить системы со стабилизацией магнитного потока, системы стабилизации скорости вращения ротора АД, другие, а также многоконтурные системы с наличием нескольких контуров регулирования или стабилизации одновременно нескольких координат асинхронного двигателя.

Для расширения диапазона регулирования скорости вращения исполнительного двигателя, повышение жесткости его механических характеристик необходимо, как и в приводах постоянного тока, наряду с рассмотренными организовать контур стабилизации скорости с воздействием сигнала обратной связи, как правило, на канал регулирования частоты подводимого к статору АД напряжения. Такая система с использованием обратной связи по скорости, датчиком которой является тахогенератор, представлена структурной схемой на рис.2. Здесь kТГ - коэффициент передачи тахогенератора; kИ=щs/Uуб - коэффициент передачи инвертора; Uзб - задающее напряжение канала регулирования частоты.

Как следует из рис.2 частота подводимого к статору АД напряжения равна:

щS= бщSN=kИ(Uзб-kОСkТГщr)=kИ[Uзб-kосkтгщsН/Рn(б-в)

При сравнительно небольших диапазонах регулирования скорости (до 1 : 5) с целью устранения тахогенератора для стабилизации скорости можно использовать положительную обратную связь по току статора, как это представлено на рис.3. В этом случае частота питающего двигатель напряжения характеризуется выражением:

Здесь, как следует из (рис.3), относительное напряжение является функцией частоты. Пренебрегая изменением скольжения при изменении частоты в соответствии с (1.13) за счет действия положительной обратной связи по току в процессе увеличения или уменьшения нагрузки на валу АД, требуемое приращение частоты, обеспечивающее необходимое значение статизма в замкнутой системе действием обратной связи по току, можно определить как:

Уравнение (1.14) позволяет рассчитать требуемый коэффициент усиления системы (канала регулирования частоты).

Для стабилизации скорости АД может быть использована также положительная обратная связь по абсолютному скольжению, воздействующая на канал регулирования частоты, но при этом в системе в качестве задающего используется сигнал, пропорциональный абсолютному скольжению, а сигнал управления инвертором формируется как сумма сигналов, характеризующих управление скольжением и фактическую скорость вращения ротора двигателя.

1.3 Описание математической модели

Динамические режимы работы систем стабилизации скорости без контура стабилизации магнитного потока АД с воздействием сигнала обратной связи по скорости только на канал регулирования частоты выходного напряжения преобразователя в предположении, что амплитуда подводимого к статору напряжения отслеживается в его канале с учетом заложенного в функциональном преобразователе закона регулирования, можно характеризовать с использованием структурной схемы, которая представлена на рис.4, где WРС(р) - передаточная функция регулятора скорости. При WОС(р) , соответствующей передаточной функции безинерционного звена, динамические свойства замкнутой системы с ее передаточной функцией в разомкнутом состоянии

WP(P)=WPC(P)Wщ(P)WOC(P)kиkТГ, (1.13)

Структура и параметры корректирующих устройств определяется прежде всего параметрами Wщ(р), то есть самого асинхронного двигателя. Как следует из анализа частотных характеристик звена с передаточной функцией Wщ(р), для обеспечения устойчивости и улучшения качества процессов в переходных режимах системы, описываемой (1.13)

Целесообразно наряду с жесткой отрицательной обратной связью по скорости использовать обратную связь по ускорению, а в зоне низких частот питающего напряжения для сохранения динамических показателей необходима связь и по производной от ускорения. В общем случае вид передаточной функции канала обратной связи по скорости можно определить выражением:



Значение ТЭМ (1.15) характеризуется эквивалентной электромеханической постоянной времени привода, которая в общем случае является функцией амплитуды и частоты подводимого к статору АД напряжения. При синтезе параметров элементов системы стабилизации скорости (рис.4) выражение (1.14) можно также рассматривать как произведение передаточных функций канала обратной связи и регулятора скорости.

При воздействии обратной связи по скорости на оба канала регулирования амплитуды и частоты подводимого к статору АД напряжения одновременно, как это изображено на структурной схеме системы стабилизации скорости рис.5 необходим учет влияния на динамические показатели системы в целом и канала регулирования напряжения.

Учитывая, что модули коэффициентов передачи преобразователя по напряжению ( с учетом наличия обратной связи по напряжению) и по частоте при использовании преобразователя для питания двигателей общепромышленного исполнения с номинальными действующим значением фазного напряжения и его частотой, равными соответственно 220 В и 50 Гц, структурную схему (рис.5,а) можно преобразовать к виду, представленному на (рис.5,б), где передаточная функция схемы ПЧ-АД определяется выражением:

В (1.16) передаточная функция соответствует (1.5), уменьшенной в раз.

Анализ частотных характеристик, соответствующих входящим в (1.17) передаточным функциям, позволяет сделать вывод о том, что при получении частотных характеристик системы ПЧ-АД можно пользоваться следующими соотношениями:

где щ- частота возмущающих колебаний, поступающих со стороны управляющего воздействия.

Построение частотных характеристик системы и синтез корректирующих устройств, обеспечивающих требуемые динамические показатели, с использованием (1.16), (1.17) затруднений не представляет. Необходимо отметить, что, как следует из (1.17), динамика системы стабилизации скорости в данном случае в зоне частот возмущающего воздействия, меньших частоты питающего напряжения, характеризуется преимущественно каналом изменения частоты, а при частотах возмущающего воздействия, превышающих частоту напряжения статора - каналом изменения амплитуды питающего двигатель напряжения. Удовлетворительные динамические показатели в системе рис. 5 могут быть достигнуты с использованием регулятора скорости с передаточной функцией

где , , или применением наряду с обратной связи по скорости обратной связи по ускорению, т.е. при передаточной функции канала обратной связи аналогичной

Следует отметить, что для обеспечения высоких динамических показателей систем частотно-регулируемого электропривода с функциональным преобразованием координат в широком диапазоне регулирование скорости вращения ротора АД необходимо применение достаточно сложных корректирующих звеньев, параметры и структура которых должна изменяться в функции, прежде всего частоты подводимого к статору двигателя напряжения. Поэтому для получения указанных зависимостей анализ динамики и синтез корректирующих устройств необходимо проводить для ряда частот, характеризующих точку линеаризации уравнений АД при получении его передаточных функций.

Указанные обстоятельства обусловливают разработку более рациональных с точки зрения синтеза систем, хотя и более сложных в их практической реализации, принципов построения электроприводов с частотно-регулируемым исполнительным асинхронным двигателем.

1.4 Информационное обеспечение системы частотно-регулируемого ЭП с АД

Представленные ранее зависимости, характеризующие статические и динамические свойства частотно-регулируемых асинхронных двигателей, показывают, что максимальный момент, развиваемый двигателем, скорость вращения его ротора, потери в двигателе и его системе электропитания являются сложными функциями как входных величин - амплитуды и частоты подводимого к статору АД напряжения, так и режима работы самой машины, который определяется вторичными величинами привода. К последним следует отнести токи статора и ротора, магнитные потоки статора, ротора и воздушного зазора двигателя, его ЭДС, частота тока ротора (скольжение), электромагнитный момент, скорость вращения ротора и другие величины.

В связи с этим при разработке рассматриваемых систем электропривода, как и других, обладающих заданными статическими и динамическими показателями, для организации каналов обратных связей возникает необходимость выбора и применения датчиков, которые обеспечивали бы измерение и регистрацию различных электрических, энергетических и механических величин, характеризующих режим работы прежде всего исполнительного двигателя.

Следует отметить, что формирование сигналов, обеспечивающих построение каналов стабилизирующих, корректирующих обратных связей, в системах частотного управления имеет свои особенности и в большинстве случаев требует специальных датчиков. Кроме того, учитывая особенности конструкции асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором, ряд параметров, характеризующих режим работы АД, может быть определен только косвенным путем.

Основными электромагнитными величинами, определяющими режим работы асинхронного двигателя являются токи статора, ротора и намагничивания, ЭДС статора и ротора, потокосцепления статора, ротора и воздушного зазора АД.

Из перечисленных величин наибольшей доступностью и сравнительной простотой измерения характеризуется ток статора, информация о мгновенном или действующем значениях которого, его амплитуда может быть получена с использованием хорошо известных устройств, реализующих традиционные методы формирования пропорционального току проводника сигнала. При этом следует отметить, что ввиду изменения частоты тока статора для получения исходной информации о нем в частотно-регулируемых электропривода следует использовать шунты.

Для формирования сигналов, пропорциональных другим указанным электромагнитным величинам, во многих случаях используют специально построенные аналоговые или цифровые вычислительные устройства, алгоритм функционирования которых реализует зависимости, характеризующие математические описание процессов в АД. В таких устройствах можно использовать в качестве первичной информацию о напряжении, подводимом к статору двигателя, и его токе. Ток, сигнал, пропорциональный фазной ЭДС статора, формируется путем реализации алгоритма, определяемого выражением

,

которая получена из первого уравнения системы. Интегрирование результата, найденного по (1.19), позволяет сформулировать сигнал, который пропорционален магнитному потоку соответствующей фазы статора.

Следует отметить, что в системах частотного управления АД напряжение, подводимое к статору двигателя, из всех других, характеризующих режим его работы электромагнитных величин, в наибольшей степени искажено в сравнении с синусоидальной. Это обстоятельство является одним из основных недостатков использования представленного метода измерения ЭДС и потокосцепления статора.

Для регистрации магнитного потока применяются также датчики Холла, устанавливаемые на зубце статора. Однако реальные сигналы, формируемые с их помощью, содержат помехи, обусловленные особенностями обмоточных данных машины, вспомогательными зубцовыми гармониками, несинусоидальностью питающего напряжения, что определяет сложность выделения полезного сигнала. Кроме того, существуют проблемы связанные с установкой и надежностью функционирования датчика Холла в условиях работающего двигателя.

В настоящее время для измерения ЭДС двигателя и использования ее в совокупности с информацией о других измеренных величинах с целью получения сигналов, пропорциональных необходимым электромагнитным параметрам и проекциям соответствующих им обобщенных векторов, получают распространение дополнительные измерительные обмотки (витки), размещенные на статоре двигателя. Измерительная обмотка или виток могут быть наклеены на пазовый клин статора, однако наиболее целесообразно их располагать под клиньями в пазах, в которых находится рабочая обмотка статора. При этом конструкция и место установки дополнительной измерительной обмотки ИО зависят от требований, которые предъявляются к ней в части совпадения ее оси с осью соответствующей рабочей обмотке РО или, например, с линией перпендикулярной оси рабочей обмотки. Так, измерительная обмотка может располагаться в двух соседних пазах, охватывая один зубец статора, когда указанные оси находятся на оси зубца или охватывать два соседних зубца, когда необходимая ось проходит по оси паза.

В результате, с измерительных обмоток снимается сигнал, пропорциональный ЭДС статора двигателя. Для получения сигнала, пропорционального потокосцеплению статора, необходимо ЭДС измерительных обмоток проинтегрировать.

Использование дополнительной измерительной обмотки, ось которой в данном случае совпадает с осью соответствующей фазной рабочей обмотки статора, в совокупности с информацией о токе этой же фазы статора для формирования сигналов, пропорциональных фазным значениям потокосцепления шо в воздушном зазоре двигателя, тока его намагничивающего контура iм и тока статора ir, характеризуется функциональными схемами, представленными на рис.6



В схеме (рис.6) предполагается, что потокосцепление статора равно потокосцеплению воздушного зазора, а связь между потокосцеплением воздушного зазора и током намагничивающего контура является линейной. Напряжение Uцs на выходе интегратора определяет мгновенное значение потокосцепления измерительной обмотки шио, пропорциональное мгновенному значению магнитного потока статора

,

где - коэффициент передачи интегратора ( рис.6). Коэффициент передачи масштабного усилителя определяется с учетом (1.20) из условия получения на его выходе сигнала Uшо, пропорционального потокосцепления воздушного зазора, которое в данном случае как было отмечено выше, принято равным потокосцеплению статора. Тогда:

Здесь - коэффициент пропорциональности между сигналом Uшо и потокосцеплением , - число витков фазной обмотки статора АД. Напряжение на выходе масштабного усилителя с коэффициентом передачи пропорционально току намагничивания. При этом характеризуется выражением:

где - коэффициент пропорциональности между напряжением на выходе второго масштабного усилителя и током намагничивания;

- индуктивность намагничивающего контура, соответствующая номинальному режиму работы АД.

Сигналы на выходе масштабного усилителя, обозначенного на (рис.6), , с коэффициентом пропорциональности также определяет ток статора. Коэффициент передачи этого усилителя определяется, как

где - сопротивление шунта, включенного последовательно с рабочей обмоткой РО.

Выходы со второго и третьего масштабных усилителей поступает на вход блока алгебраического суммирования, на выходе которого в соответствии с выражением:

получаем напряжение , пропорциональное току ротора АД.

Следует отметить, что информация о потокосцеплении и токах в рассматриваемом устройстве (рис.6) характеризуется наличием значительной ошибки, обусловленной не учетом нелинейности вебер-амперной характеристики и потокосцеплений рассеяния статора.

Одной из наиболее важных и в то же время наиболее сложно измерямых величин, характеризующих работу электроприводов, является вращающий момент двигателя. При этом наибольшие трудности возникают при оценке момента двигателя в электроприводе переменного тока.

Существующие в настоящее время способы измерения момента двигателей основаны на применении тензометрических датчиков, вибродатчиков, датчиков Холла, других устройств, однако их общими недостатками являются сложность технической реализации в эксплуатируемых электроприводах, а также трудности, связанные с выделением полезной составляющей из общего сигнала. Другие способы, основанные на использовании датчиков ускорений - акселерометров, асинхронных машин с полым ротором с двумя обмотками на статоре и других позволяют осуществлять регистрацию динамического момента.

Следует отметить, что при разработке и исследовании электроприводов большой интерес представляет информация об электромагнитном, динамическом моментах АД, моменте статическом на валу двигателя, а также соответствующие устройства, обеспечивающие формирование пропорциональных этим величинам сигналы.

Электромагнитный момент АД равен сумме вращающего момента (момента на валу) двигателя Мвр и моментов, определяемых потерями в стали Мст, потерями на трение в подшипниках Мтр, вентиляционными потерями Мв:

МЭМ = Мвр + Мст + Мтр + Мв

Учитывая, что сумма последних трех слагаемых в правой части (1.26) составляет 3-5% номинального момента двигателя и, измеряя его электромагнитный момент, можно с соответствующей погрешностью, не превышающей 5 %, оценивать момент на валу асинхронного двигателя. С другой стороны, при исследовании или эксплуатации электроприводов с асинхронного двигателя зачастую важно иметь информацию об изменении именно электромагнитного момента двигателя, например, с целью использования ее в качестве сигнала обратной связи для получения требуемых показателей электропривода.

Для измерения электромагнитного момента АД можно воспользоваться методом, основанным на измерении электромагнитной мощности:

Электромагнитная мощность , передаваемая в ротор через воздушный зазор АД, определяется из выражения:

;

где - обобщенный вектор ЭДС статора, который равен обобщенному вектору приведенный к цепи статора ЭДС ротора ; - комплекс, сопряженный с обобщенным вектором тока статора . Равенство (1.27), характеризующее мгновенное значение электромагнитной мощности, можно преобразовать к виду:

;

где использованные фазные ЭДС и токи статора двигателя.

Таким образом, для измерения электромагнитного момента АД достаточно, например, использовать реализацию зависимостей (1.26) и (1.27). При этом в (1.26) необходимо использовать среднее значение мгновенной мощности , которое при его определении по (1.28) в симметричных режимах работы АД совпадает с мгновенным значением.

Можно отметить, что, с другой стороны, вращающий момент асинхронного двигателя характеризуется выражением:

где - постоянная двигателя; - угол между векторами ЭДС и тока ротора.

Уменьшение ошибки по скорости электропривода, вызванной изменением возмущающего воздействия - статического момента на валу исполнительного двигателя, может быть достигнуто использованием обратных связей по этому возмущающему воздействию. Для реализации таких связей необходима информация об уровне момента нагрузки на валу двигателя. Непосредственное измерение статического момента представляет значительные трудности, поэтому для этих целей используют, преимущественно, косвенные методы регистрации, основанные на том, что момент нагрузки на валу двигателя, как следует из уравнения движения, определяется как разность электромагнитного и динамического моментов.

Сигнал, пропорциональный ускорению, можно получить путем дифференцирования сигнала с датчика угловой скорости вращения ротора, например тахогенератора, или, применив специальный датчик угловых ускорений. При использовании тахогенератора с целью получения сигнала, характеризующего ускорение вала двигателя и его динамический момент, можно применить пассивный дифференцирующий контур с передаточной функцией

;

где - постоянная времени контура. При этом сигнал на выходе дифференцирующего контура, пропорциональный ускорению, определяется с учетом (1.30) из выражения:

где - коэффициент передачи тахогенератора; - передаточное число редуктора между валами двигателя и механизма; - скорость и угол поворота вала механизма.

Принимая во внимание уравнение движения привода, сигнал, снимаемый с датчика электромагнитного момента АД, можно определить, как

Сопоставляя выражение (1.31) и (1.32), можно сделать вывод, что на выходе датчика электромагнитного момента необходимо включить дополнительное корректирующее устройство, обеспечивающее согласование сигналов по времени и по уровням:

В результате (1.33) с учетом (1.32) можно преобразовать к виду:



При вычитании (1.31) из (1.34) получается сигнал, пропорциональный статическому моменту на валу исполнительного двигателя:

Из (1.34), (1.35) следует, что на выходе датчика электромагнитного момента необходимо включить дополнительное инерционное звено, обеспечивающее согласование сигналов по уровню и во времени. Датчик электромагнитного момента требует включения на его входе фильтра для сглаживания пульсации выходного сигнала. Передаточная функция фильтра в этом случае определяется из выражения (1.33). Реализация (1.35) с учетом приведенных ранее выражений обеспечивается датчиком статического момента, функциональная схема которого представлена на рис.7

В качестве датчика ускорения можно использовать также двухфазный асинхронный двигатель с полным ротором, одна из обмоток которого питается постоянным напряжением, а с выхода другой снимается практически безинерционно сигнал, пропорциональный динамическому моменту испытуемой машины.

где - коэффициенты пропорциональности между входным напряжением датчика и ускорением или динамическим моментом двигателя соответственно. электропривод асинхронный двигатель передаточный

В данном случае для согласования каналов регистрации электромагнитного и динамического моментов на выходе датчика МЭМ необходимо включить согласующий усилитель с коэффициентом усиления, равным

Тогда, учитывая (1.37) в (1.32), получим:

;

При вычитании (1.36) из (1.38) получается величина, значение которой пропорционально моменту нагрузки на валу двигателя:

Функциональная схема датчика статического момента, сигнал на выходе которого определяется по (1.39) и где использован датчик электромагнитного момента, не требующий фильтрации выходного напряжения, изображена.

Следует отметить, что в этом устройстве могут быть использованы без изменения его структуры датчики электромагнитного момента.

Современные системы электропривода, в том числе системы частотного регулирования асинхронных двигателей, строятся на принципах, требующих измерения скорости вращения ротора, а в случае электропривода с синхронным двигателем и скольжения двигателя. Последнее также, как правило, предполагает наличие информации о скорости вращения ротора машины. При этом использование, например тахогенератора, других устройств на валу двигателя, которые обеспечивали бы получение сигналов, пропорциональных скорости вращения ротора, в ряде случаев нежелательно. Прежде всего это следует отнести к электроприводам, исполнительным органом которых является асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором, когда за счет применения устанавливаемого на валу машины датчика скорости (тахогенератора) происходит ликвидация основных преимуществ привода с асинхронным двигателем в части, например, его несложности и возможности эксплуатации в агрессивных средах.

В связи с изложенным целесообразно рассмотреть возможность получения информации о скорости вращения ротора АД с использованием нетрадиционных методов, исключающих наличие на валу двигателя дополнительных устройств. Один из них может быть основан на преобразовании сигнала, полученного на зажимах, представленной ранее дополнительной измерительной обмотки в статоре АД, место и расположение которой в данном случае не имеет принципиального значения.

Следует отметить, что в измерительной обмотке наводится ЭДС, определяемая не только основной гармоникой потока, но и его высшими гармониками, наличие которых обусловлено наряду с другими причинами особенностями конструкции АД. Из всех высших гармоник ЭДС, дополнительной измерительной обмотки, наиболее выраженными являются зубцовые гармоники ротора, которые вызваны неравномерность воздушного зазора ввиду наличия зубцов и пазов на поверхности ротора двигателя, не зависят от электромагнитных параметров АД, а их частота пропорциональна скорости вращения ротора.

Выражение ЭДС измерительной обмотки с учетом указанных гармоник в предположении синусоидального изменения соответствующих гармоник магнитного потока может быть представлена в виде:

где - основная гармоника, частота которой определяется частотой магнитного потока в воздушном зазоре АД и пропорциональна частоте подводимого к статору двигателя напряжения; - гармоника ЭДС, частота которой равна произведению скорости вращения ротора и число зубцов ротора ; - амплитуды соответствующих гармоник; - их начальные фазы.

Интегрирование и дифференцирование ЭДС (1.40) дает:

Если (1.41) умножить на квадрат величины, характеризующей частоту магнитного потока в воздушном зазоре АД , и результат сложить с (1.43), то получается величина :

изменяющаяся по гармоническому закону с частотой, пропорциональной скорости вращения двигателя. Функциональная схема устройства измерения скорости вращения ротора АД, основанного на изложенном принципе и реализующая (1.43), представлена на рис.9. На выходе устройства целесообразно включить дифференцирующую цепочку, которая обеспечит уничтожение постоянной составляющей сигнала, возникающей в процессе интегрирования (1.41), а также формирователь импульсов.

Переменный сигнал, частота которого пропорциональна скорости вращения ротора, может быть получен в результате суммирования ЭДС:



которые наводятся в трех идентичных дополнительных измерительных обмоток в статоре АД, сдвинутых друг относительно друга на 120 электрических градусов. В (1.44) учтены аналогичные (1.40) гармоники ЭДС. Суммирование составляющих (1.44), в результате которого первые гармоники ЭДС каждой из измерительных обмоток взаимно уничтожаются, дает сигнал

частота которого пропорциональна скорости вращения ротора АД. В (1.45)введены следующие обозначения:

В одном из них (рис.10,а) (1.44) реализуется в сумматоре с последующей подачей результирующего сигнала на вход формирователя импульсов, в другом (рис.10,б) - путем включения дополнительных измерительных обмоток в открытый треугольник.

Следует отметить, что представленные принципы получения сигналов, частота которых пропорциональна скорости вращения ротора АД, могут быть использованы системах электропривода со сравнительно небольшим диапазоном регулирования скорости. Уровень указанного ограничения определяется числом зубцов ротора двигателя и требуемыми точностными показателями по скорости электропривода.

Для обеспечения заданных характеристик статических и динамических режимов частотно-регулируемых электроприводах с асинхронными двигателями вместо обратной связи по скорости можно использовать обратную связь по абсолютному или относительному скольжению. Получение сигнала, пропорционального скольжению, можно осуществить путем прямой аппаратной реализации алгоритма, с использованием датчика скорости двигателя.

На практике применяют известные способы и соответствующие им устройства косвенного измерения скольжения. В качестве одного из них можно привести устройство, построение которого основано на реализации известной зависимости:

Функциональная схема устройства для измерения скольжения, построенная для определения в соответствии с (1.46), изображена на рис.11. В нем использованы блоки получения сигналов, пропорциональных току ротора и электромагнитной мощности двигателя, примеры построения которых были рассмотрены ранее. Для обеспечения фильтрации сигнала, характеризующего квадрат тока, введен фильтр, а с целью согласования во времени сигналов, пропорциональных квадрату тока ротора и электромагнитному моменту соответствующее звено включено и на входе устройства получения сигнала, который определяет электромагнитный момент двигателя.

2. РАЗРАБОТКА ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ СХЕМЫ

Функциональная схема необходима для того, чтобы выяснить, какие функциональные блоки необходимы для реализации управления автоматизированного электропривода.

Применяем систему подчиненного регулирования, которая представляет собой последовательно включенные контуры регулирования, число которых должно быть равно числу регулируемых величин. На вход каждого регулятора подается сигнал с предыдущего звена, соответствующей задаваемому уровню регулируемой величины и сигнал с выхода отвечающему обработанному уровню. Каждый предыдущий каскад является задающим органом для последующего. Контур регулирования строится так, чтобы иметь только ождну составляющую постоянную времени.

Для представления электродвигателя как объекта управления необходимо определить выходные координаты, управляющее воздействие, возмущение и входные параметры. Выходными координатами могут быть: частота вращения вала двигателя; момент на валу электродвигателя; угол поворота вала электродвигателя. Управляющие координаты: ток в цепи статора и напряжение в цепи статора. Возмущающие воздействия: отклонение момента нагрузки; изменение момента инерции перемещающихся механических частей.

В системах с жесткой отрицательной обратной связью (рис.12) одновременно создается воздействие на напряжение и частоту. Связь между регуляторами частоты и напряжения УВ происходит с помощью функционального преобразователя , обеспечивающего требуемое соотношение между напряжением и частотой на статоре двигателя. На функциональной схеме показан внутренний контур стабилизации напряжения.



Такая система обладает ограниченным диапазоном регулирования до 7:1 при Мс = const из-за уменьшения перегрузочной способности двигателя при низких частотах.

Из питающей сети (1) (рис.13) переменное напряжение промышленной частоты (~U, =f) поступает на вход выпрямителя (2).

Для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения на выходе выпрямителя устанавливается фильтр (3).

И уже постоянное (= U) (сглаженное) напряжение подается на вход управляемого импульсного инвертора тока (4).

Электронные ключи инвертора по сигналам системы управления (8) открываются и запираются таким образом, что формируемые при этом различные по длительности импульсы тока складываются в результирующую кривую синусоидальной формы с необходимой частотой.

Для сглаживания пульсаций, на выходе инвертора может устанавливаться дополнительный высокочастотный фильтр (5).

Затем напряжение подается на обмотки электродвигателя (М), который является приводом механизма технологической системы (6).

Подлежащий регулированию параметр технологической системы измеряется датчиком (7), управляющий сигнал от которого подается в систему управления частотно-регулируемого электропривода (8). Либо внешняя система управления (9) собирает информацию о многих параметрах, характеризующих работу технологической системы обрабатывает ее и подает результирующий сигнал в систему управления приводом.

В зависимости от величины, иногда скорости изменения этого сигнала, программных установок, микропроцессорная система управления частотно-регулируемого электропривода формирует и подает управляющие импульсы на электронные ключи выпрямителя и инвертора.

Для самоконтроля и защиты система управления собирает и обрабатывает сигналы о наличии или величине ряда параметров, характеризующих работу собственных подсистем. Контролируются токи и напряжения на входе, выходе из преобразователя и в магистрали постоянного тока. Измеряется температура элементов и регулируется производительность системы охлаждения преобразователя. Контролируется состояние отдельных элементов вплоть до отдельного ключа. При наличии специального датчика в корпусе электродвигателя измеряется, а при отсутствии датчика рассчитывается по электрическим характеристикам потребляемой двигателем энергии температура двигателя.

При неизменном токе статора механические характеристики двигателя обладают постоянной перегрузочной способностью при всех частотах как в двигательном, так и в генераторном режимах, а момент его и магнитный поток однозначно связаны с абсолютным скольжением и не зависят от частоты.

Однако при управлении с неизменным током статора машина приобретает неблагоприятные свойства, заключающиеся в том, что с увеличением нагрузки (скольжения) резко падет магнитный поток. Поэтому систем должна быть замкнута таким образом, чтобы с увеличением нагрузки по определенному закону увеличивался и ток статора так, чтобы поток машины поддерживался постоянным.

...