Законы частотного регулирования асинхронными двигателями

Использование асинхронного двигателя в регулируемом электроприводе, особенно при его частотном управлении, представляет особый интерес. Для реализации этого способа управления питание двигателя необходимо осуществлять от управляемого преобразователя частоты. В качестве преобразователей частоты могут использоваться синхронные генераторы, вращаемые с переменной скоростью, асинхронные преобразователи частоты и статические преобразователи, выполняемые на базе автономных инверторов напряжения и тока, а также на базе силовых транзисторов.

При частотном управлении АД возникает необходимость регулировать не только частоту, но и величину подводимого напряжения, причем напряжение должно регулироваться не только в функции частоты, но ещё и в функции нагрузки. Регулирование напряжения только в функции частоты с учетом характеристик механизма может быть реализовано в разомкнутых системах частотного управления, а в функции частоты и нагрузки – лишь в замкнутых системах.

Верхний предел регулирования частоты, следовательно, скорости двигателя, ограничивается прочностью крепления обмоток ротора и заметным увеличением потерь в стали статора. Нижний предел ограничен сложностью реализации источника питания с низкой частотой и возможностью неравномерности вращения двигателя. Как правило, напряжение регулируется лишь вниз по отношению к номинальному, а частота - вверх и вниз по отношению к основной (номинальной).

При выборе соотношения между частотой и напряжением, подводимым к статору АД, чаще всего исходят из условия сохранения перегрузочной способности двигателя для любой из его регулировочных характеристик. Основным законом частотного регулирования является закон Костенко

, где

М_С и М'_C -статические моменты сопротивления соответствующие скорости двигателя при частотах f₁ и f^’₁, а U₁ и U^'₁ – соответствующие этим частотам напряжения.

В относительных единицах этот закон имеет вид:

, где

Из него следует, что закон изменения напряжения определяется не только частотой источника питания, но и характером изменения момента сопротивления механизма на валу двигателя при изменении угловой скорости.

Согласно формуле Бланка

или в относительных единицах

т.к. ; и

Основной закон теперь можно представить в виде:

При постоянном моменте на валу двигателя М_С, следовательно и m_С, не зависит от скорости, а значит и частоты. Поэтому х=0 и

или ,

Полученный закон – это закон пропорционального управления. Механические характеристики двигателя при этом законе изображены на рис. 5.10.1. Жесткость характеристик сохраняется сравнительно высокой. Однако при значи­тельном снижении чистоты (ниже 0,5f_1H) уменьшается критический момент, следовательно перегрузочная способность двигателя. Объясняется это падением напряжения на активном сопротивлении r₁ статора, в результате чего к намагничивающей цепи двигателя подводится тем меньшее напряжение, чем меньше частота, что, в свою очередь уменьшает магнитный поток, от величины которого зависит М_кр.

Плавное регулирование до f₁=0 при этом законе невозможно. Невозможно также обеспечить устойчивую работу двигателя при М_с=const в широком диапазоне регулирования частоты.

Закон пропорционального регулирования целесообразен только для крупных двигателей, у который r₁ мало, а для маломощных двигателей он малоэффективен, т.к. уже при φ₁<0,5 перегрузочная способность их заметно снижается (у них большое r₁). Потери в двигателе больше, чем при основном законе.

При идеальном вентиляторном моменте сопротивления x=2, μ₀=0 и или

Механические характеристики при этом законе изображены на рис. 5.10.2.

При постоянной мощности статической нагрузки Р_с=const. или . В этом случае пренебрегая величиной μ₀ x=-1 и закон управления имеет вид или .

Механические характеристики при этом законе изображены на рис. 5.10.2.

Перечисленные законы легко реализуются в разомкнутых системах электропривода, т.к. напряжение здесь нужно изменить только в функции частоты. Но изменять напряжение не только в функции частоты, но еще и в функции напряжения, возможно только в замкнутых системах электропривода, содержащих обратные связи. В этом случае должны использоваться законы, обеспечивающие компенсацию падения напряжения на сопротивлениях обмоток статора и ротора двигателя, т.к. падение напряжения зависит от нагрузки. Т.е. законы, позволяющие поддерживать постоянными потокосцепления статора, ротора и взаимной индукции.

Поэтому напряжение, подводимое к статору и изменение частоты (и даже при ее постоянстве) необходимо регулировать таким образом, чтобы скомпенсировать падение напряжения на всех элементах схемы замещения АД, которые являются принципиально важными с точки зрения передачи электромагнитной мощности. Этим самым можно обеспечить постоянство потокосцеплений ψ, ψ₁₂ и ψ₂.