Описание функциональной схемы

Функциональная схема системы регулирования скорости электропривода при скалярном управлении асинхронным двигателем и определении параметров двигателя приведена на рисунке 3.

Питание двигателя осуществляется от преобразователя частоты со звеном постоянного тока и инвертором, управляемый напряжением.

При скалярном управлении для регулирования координат электропривода с высокой точностью при изменении момента нагрузки на его валу, необходимо применять замкнутую систему управления, в которой частота и напряжение питания АД будут автоматически регулироваться в функции давления и нагрузки.

Для данного механизма не требуется стабилизация скорости и поддержание перегрузочной способности электродвигателя. Основное требование к электроприводу – поддержание давления в системе при изменении расхода воды. В соответствии с указанными требованиями используем замкнутую систему регулирования давления с ПИД регулятором давления.

 

 

 

При вентиляторной нагрузке на валу асинхронного электродвигателя, для которой М_C º w², соотношение между u_f и u_u должно обеспечивать закон управления близкий к постоянству U₁/ f₁². На схеме это соотношение отражено в функциональном преобразователе ФП.

Для большинства серийных преобразователей частоты эта функция линеаризуется путем выбора в статической характеристике преобразователя ФП двух базовых координат: u_u1 при u_f1 и u_u0 при u_f1 =0 Первая координата определяет задание минимального значения частоты f₁ и соответствующего ему напряжения U₁ на выходе преобразователя UZF, при которых еще сохраняется постоянство соотношений U₁/f₁²=U_1н/f_1н². Для АД общего назначения при диапазоне регулирования скорости в системе частотного управления до (8 – 10): первое 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:

, 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.

В функциональной схеме системы скалярного управления асинхронным частотно-регулируемым электроприводом используется обратная связь по току статора. Здесь сигналы с датчиков тока статора i_sa и i_sc, пропорциональные мгновенному значению токов обмоток статора фаз А и С, поступают на функциональный преобразователь ФТ, где формируются выходные сигналы I₁ и I _1a, пропорциональные соответственно модулю абсолютного значения тока статора и активной составляющей этого тока. Выделение активной составляющей тока статора связано либо с векторным преобразованием токовых сигналов в UI, либо с измерением тока выпрямителя в преобразователях частоты с промежуточным звеном постоянного тока. Наиболее часто в скалярных системах частотного управления для простоты технических решений вместо активной составляющей тока статора на функциональное устройство А1 подается сигнал действующего значения тока статора I₁. В сумматорах функциональной схемы выполняется алгебраическое суммирование сигналов управления и сигналов обратных связей, поступающих с функциональных устройств А1и А3. Блок А4 подаёт модуль сигнала êI₁ êна вход А3 лишь при его превышении сигнала êI_1max ê, соответствующего модулю максимально допустимого тока статора асинхронного двигателя М.

Оценим раздельно назначение каждого из контуров обратных связей и их влияние на свойства электропривода. В разомкнутой системе управления при постоянстве частоты и напряжения питания по мере увеличения нагрузки на валу М скорость w и поток намагничивания Ф_m двигателя уменьшаются. В замкнутой системе по мере увеличения моментов статической нагрузки асинхронного двигателя и соответствующему увеличению тока статора на вход сумматора со стороны А1 поступает дополнительный сигнал, увеличивающий сигнал u_u. В итоге по мере увеличения тока статора увеличивается и выходное напряжение преобразователя частоты. При этом выходная частота UZF, определяемая сигналом u_f, остается постоянной. Увеличение напряжения на обмотках статора двигателя способствует компенсации падения напряжения на полном их сопротивлении и, в результате, увеличению потока намагничивания двигателя.

Степень компенсации определяется коэффициентом усиления К₁ цепи положительной обратной связи по току. Очевидно, чем больше К₁ , тем больше будет поток при том же абсолютном скольжении. Следовательно, по мере увеличения К₁ увеличивается как абсолютное критическое скольжение, так и максимальный момент двигателя. Предел увеличения К₁ ограничен условиями устойчивости замкнутой системы управления и допустимыми значениями потока намагничивания и напряжения питания двигателя. По мере снижения частоты питания полное сопротивление цепи намагничивания и, соответственно, падение напряжения в статоре асинхронного двигателя уменьшается. Поэтому для стабилизации и ограничения потока намагничивания в замкнутой по току системе степень компенсации падения напряжения и отсюда коэффициент К₁ необходимо уменьшать в соответствии с уменьшением полного сопротивления статорной цепи. Если это не предусмотрено, то максимально допустимый К₁ должен выбираться для режима работы двигателя при минимальной частоте, определяемой диапазоном регулирования скорости в замкнутой системе. При этом следует учесть, что даже при идеальном холостом ходе за счет заметных токов намагничивания в статорной цепи, обратная связь по полному току уже действует.

Если в качестве сигнала обратной связи принять активную составляющую тока статора, то регулирование скорости будет выполняться при постоянстве потокосцепления статора. При этом обеспечение той же перегрузочной способности АД по моменту, что и при обратной связи по полному току, потребует меньшей доли компенсации падения напряжения в статорной цепи и, соответственно, меньшего запаса по выходному напряжению преобразователя частоты.

Для защиты преобразователя частоты и двигателя от перегрузок по току используется режим его ограничения с помощью устройства токовой отсечки. На рисунке 3 это устройство включает в себя узел суммирования текущего êI₁ê и максимально допустимого êI_1max ê модулей тока статора с разными знаками (узел сравнения), узел отсечки А4 и пропорционально-интегральный регулятор тока А3. При êI₁ ê> êI_1max êА4 пропускает сигнал превышения тока статора выше допустимого на вход А3, выходной сигнал которого может воздействовать как одновременно на частоту и выходное напряжение преобразователя так и лишь на напряжение преобразователя.

При воздействии только на выходное напряжение преобразователя, при условии, что регулятор А3 имеет интегральный канал регулирования, за счет отрицательной обратной связи по току преобразователь из источника напряжения переходит в режим источника тока. Тогда при постоянстве тока статора, задаваемого со стороны преобразователя UZF независимо от установленной со стороны управляющего сигнала u_у частоты, действие регулятора А3 отсечки по току за счет ее большего коэффициента обратной связи (для ПИ-регулятора бесконечно большого), чем устройства А1, будет сопровождаться уменьшением потока и момента двигателя, вызывая эффект опрокидывания механической характеристики АД. Подобный режим работы отсечки с воздействием на выходное напряжение преобразователя частоты практически ограничен и используется лишь совместно с одновременным воздействием на выходную частоту преобразователя.

За счет поступающего на сумматор сигнала отрицательной обратной связи по току статора совместно со стабилизацией тока осуществляется снижение его частоты и, соответственно, скорости идеального холостого хода двигателя. Тем самым обеспечивается постоянство магнитного потока, абсолютного скольжения и в итоге момента двигателя. Статическая и динамическая точности их стабилизации при скалярном управлении ограничены сложными и нелинейными связями между переменными АД и условиями устойчивости замкнутых контуров регулирования.

В асинхронных частотно-регулируемых электроприводах применяются как аналоговые, так и цифровые системы управления. Их выбор обосновывается технико-экономическими и эксплуатационными соображениями. В наиболее совершенных электроприводах, отличающихся высокими показателями регулирования, системы управления выполняются на основе устройств микропроцессорной техники, где алгоритмы управления реализуются программным путем. Поэтому основные свойства и показатели замкнутых систем с различными регуляторами координат электропривода можно анализировать, абстрагируясь от их технической реализации.