Частотное регулирование частоты вращения асинхронного двигателя

Данный метод регулирования частоты вращения АД основан на изменении частоты /_г напряжения питающего обмотки статора АД. В этом случае регулируется синхронная частота вращения магнитного поля статора (o₀=2nfi/p. Вслед за изменением синхронной частоты со₀ изменяется и частота со вращения ротора АД, которая отличается от синхронной на величину скольжения co = co₀(l-s).

Полное использование габаритной мощности АД, имеет место, если он работает с номинальным магнитным потоком. Магнитный поток Ф двигателя создается током намагничивающего контура /₁₀, который пропорционален ЭДС статора (12.14):

Обозначив в формуле К_Е =4,44и/₁К_об1 = const запишем.

откуда получаем соотношение.

которое говорит о том, что для полного использования двигателя по потоку наряду с изменением частоты питания /_х необходимо пропорционально ей изменять Е_г. ЭДС Е_г является внутренним параметром АД, воздействовать же на магнитный поток двигателя можно напряжением статора. При управлении АД часто ставится задача сохранения перегрузочной способности двигателя по моменту А,_м. Если принять активное сопротивление обмотки статора Я_х =0, то согласно (12.49).

где Х_к = (Х_1ст +X2_a) = co₀(L]. _a +L_2a) — индуктивность короткого замыкания; 1_1ст и L_2a — индуктивности рассеяния статора и ротора.

Из (13.69) следует, что в ряде случаев, когда можно считать для АД Я_х = 0, поддержание постоянными критического момента М_к и перегрузочной способности Х_м обеспечивается пропорциональным изменением частоты и напряжения источника, питающего обмотку статора АД.

Момент сопротивления может изменяться по различным законам (см. рис. 13.7). Получим универсальную формулу, по которой надо изменять частоту и напряжение, чтобы перегрузочная способность двигателя по моменту оставалась постоянной М_к /М_н =А,_М = const. В этом случае при любых двух значениях моментов М_х и М₂ соответствующие значения частот co₀i и <�й₀₂ согласно формуле (13.69) должны быть связаны соотношением.

Из этого уравнения следует предложенный академиком М. П. Костенко в 1925 г. основной закон изменения напряжения при частотном способе регулирования скорости АД:

гдеу = П_ф / Нф _ном—относительное напряжение; а = со₀ / со_0ном =А/А_ном— относительная частота; р = М / М_ном — относительный момент, показывающий изменение статического момента при регулировании скорости.

Выражение (13.70) является универсальным и с его помощью могут быть получены частные случаи.

При постоянстве момента нагрузки М = const по формуле (13.70) получим.

т.е. напряжение на статоре двигателя должно меняться пропорционально его частоте.

Для вентиляторного момента нагрузки, когда р = а², соотношение (13.70) имеет вид у = а².

Если момент нагрузки изменяется обратно пропорционально скорости р = 1 / а, то имеет место зависимость у = Va.

Рассмотрим механические характеристики АД при частотном регулировании при М_с = const. Первоначально рассмотрим регулирование относительной частоты, а от нуля до единицы (/₂ = 50 Гц). В этом случае возможно регулирование частоты по закону (13.68) или (13.71). В первом случае поддерживается отношение ЭДС АД — к частоте f_l постоянным. ЭДС Е₁ вычисляется специальной схемой по уравнению (12.17) по измеряемым параметрам: Для поддержания отношения.

Е_г / /_г применяются специальные регуляторы. Механические характеристики АД при частотном регулировании представлены на рис. 13.31.

Механические характеристики АД при законе регулирования (13.68) для фиксированных значений частоты а, равна a_x = 1; а₂ = 0,6; а₃ = 0,4; а₄ =0,2 представлены на рис. 13.31 сплошными линиями.

Характеристики имеют постоянный критический момент, М_к = const, при всех частотах а, так как поддерживается постоянным магнитный поток АД — Ф = const.

При регулировании частоты по закону (13.71), поддерживается отношение (Нф / Д = const) и на низких частотах (а < 0,4), величина ЭДС АД уменьшается из-за падения напряжения на активном сопротивлении обмотки статора R_v

Поэтому на этих частотах в соответствии с (13.68) уменьшается магнитный поток АД, а значит и критический момент М_к АД. В этом случае механические характеристики АД на частотах a = 0,4¹, 0 практически совпадают с характеристиками при законе (13.68), а на частотах a <0,3 критический момент характеристик уменьшается (представлены на рис. 13.31 пунктиром), при этом соотношение моментов м_к>м_к3>м_к4.

Регулирование частоты вращения АД возможно и при частотах выше номинальной, соответствующей частоте a₂ = 1(Д = 50 Гц), т. е. при, а > 1.

При этом напряжении на зажимах АД с увеличением частоты нельзя пропорционально увеличивать выше 1/ф _ном, так как изоляция обмоток статора АД рассчитана на 1/ф_ном. При напряжении С7ф >U$_HOM изоляция обмоток статора «стареет» гораздо быстрее, чем в номинальном режиме и сокращается срок службы АД.

Рис. 13.31. Механические характеристики асинхронного двигателя при частотном регулировании.

Поэтому регулирование частоты АД при, а > 1 осуществляется при Е_г =1/ф = const. В соответствии с (13.68) в этом случае с увеличением а (Д) магнитный поток АД и его критический момент АД будут уменьшаться. Механические характеристики АД для частот напряжения питания обмотки статора а>1 представлены на рис. 13.31, для фиксированных частот: а₅ =1,2; а₆ =1,4; а₇ =1,6. Для этих характеристик критический момент уменьшается с ростом, а — М_к5 > М_к6 > М_к7, и перегрузочная способность АД по моменту уменьшается. Поскольку в этих режимах частота со₀ = 2л/ увеличивается, то мощность на валу АД, равная Р = М_ксо₀, остается практически постоянной.

Если момент сопротивления на валу АД постоянен М_с= const (рис. 13.31), то в точках 1—7 пересечения его с механическими характеристиками АД имеет место установившийся режим работы с частотами COjсо₇.

Функциональная схема ЭП с частотным регулированием частоты вращения вала АД представлена на рис. 13.32. Главным элементом этой схемы является преобразователь частоты (UZF) осуществляющий регулирование частоты и напряжения по одному из частотных законов. Задачей преобразователя частоты (ПЧ) является преобразование трехфазного напряжения сети (V_c, fc) в трехфазное напряжение с регулируемой частотой^ и напряжением U_b которое подается на трехфазную обмотку статора АД.

По информационному каналу на UZF подается сигнал управления U_y, который одновременно изменяет частоту f_x и напряжение U_v

Согласно сложившейся терминологии такие ЭП называются частотными. Они различаются типами ПЧ, способами формирования напряжения преобразователя частоты и видами обратных связей системы управления. Для получения совершенных характеристик частотного ЭП применяются замкнутые системы управления.

Рис. 13.32. Функциональная схема электропривода с частотным управлением.

В современной бытовой технике применяются ПЧ, выполненные на IGBT-транзисторах с регулированием напряжения и частоты методом широтно-импульсной модуляции. Такие ПЧ вместе с замкнутой системой управления выполняются в виде интегральной микросхемы.

Основные характеристики данного метода регулирования частоты вращения АД:

• 1) диапазон регулирования частоты вниз от номинальной 1:10 в разомкнутой системе и 1:1000 в замкнутой системе. При регулировании вверх от номинальной диапазон регулирования 1:2;
• 2) регулирование частоты осуществляется вниз и вверх от номинальной частоты АД;
• 3) регулирование частоты плавное;
• 4) затраты на приобретение ПЧ и системы управления превышают затраты на АД в несколько раз;
• 5) потери мощности при работе на рабочих участках механических характеристик малы, ввиду их большой жесткости (s = 0,05 -г 0,15).

Электропривод с АД и частотным регулированием применяется в ЭП бытовой техники.