Оптимизация частотно-управляемых асинхронных электроприводов

В частотно-управляемых асинхронных элек­троприводах можно использовать те же способы минимизации потерь, что и для электроприводов с двигателями постоянного тока независимого возбуждения. Однако с практической точки зрения реализация этих способов оказывается более сложной, так как формирование потока в асинхронной машине требует применения специальных датчиков либо сложных алгоритмов управления. На рисунке 13 а показана схема замещения АД при частотном управлении, а на рисунке 13б - векторная диаграмма АД при но­минальном скольжении.

Рисунок 13 - Схема замещения асинхронного двигателя при

частотном управлении (а) и (б) векторая диаграмма при номинальном скольжении

Если не учитывается насыщение магнитопровода, то

, (51)

т. е. регулирование потока предполагает необходимость поддер­жания требуемого соотношения. В соответствии с этим поток определяется моментом на валу АД из,

, (52)

где угол междуи, который при малых значениях скольжения равен примерно л/2, т. е.

. (53)

После подстановки получаем, что

. (54)

Из векторной диаграммы (рисунок 13 б) видно, что

. (55)

С учетом этих соотношений получим структурную схему электропри­вода, приведенную на рисунке 14, которая содержит асинхронный двигатель (АД), преобразователь частоты (ПЧ), датчики тока (ДТ) и на­пряжения статора (ДН), регулятор напряжения (РН) и вычислительное устройство (ВУ).

Рисунок 14 - Структурную схему электропри­вода

В нем по мгновенным значениям и вычисляется ток (45), затем с учетом частоты определяется поток (44). Значение напряжения необходимое для создания этого потока, рассчитывается в соответствии с рисунком 13 следующим образом:

, (56)

где;;

;;.

Регулятор напряжения, сравнивая оптимальное и теку­щее значения напряжения, воздействует на преобразователь частоты таким образом, чтобы обеспечить их равенство и полу­чить требуемое значение.

На рисунке 15 показана структурная схема электропривода с регулятором потока (РП), воздействующим на канал регулиро­вания напряжения ПЧ. В этой структурной схеме должен использоваться АД со встроенным датчиком потока. В качестве датчиков потока обычно используют специальные дополнительные обмотки на статоре или датчики Холла. Приведенная струк­турная схема исключает погрешность, связанную с необходимо­стью вычисления напряжения по (56).

Рисунок 15 - Структурную схему электропри­вода

Как и в структурной схеме электропривода постоянного тока, структурная схема электропривода ПЧ - АД существенно упрощается, если момент на валу АД является однозначной функцией скорости (см. рисунок 16, а). В этом случае поток и соответственно напряжение определяются только угловой скоростью и частотой. Если принять во внимание, что, то, например, для механизма с вентиляторным моментом сопротивления

. (57)

Функциональный преобразователь в схеме устанавливает требуемую взаимосвязь между и (56). При­мерный вид зависимостей и для показан на рисунке 16, б.

Укажем одну из важных особенностей энергетической опти­мизации асинхронных электроприводов при частотном управле­нии. Она связана с принципиальной необходимостью учета нелинейности кривой намагничивания.

а - структурная схема;

б - зависимости оптимального потока и напряже­ния от частоты.

Рисунок 16 - Асинхронный электропривод с преобразователем

часто­ты для механизмов с вентиляторным моментом сопротивления

В электроприводах постоянного тока работа двигателя с по­токами, превышающими номинальное значение, невозможна, так как это связано с необходимостью увеличения тока возбуж­дения двигателя, который ограничивается условиями нагрева­ния. Незначительна вероятность работы в зоне большого насы­щения и у асинхронных электроприводов с преобразователями напряжения, рассмотренными ранее. Для увеличения потока в таких электроприводах необходимо повышать напряжение ста­тора по сравнению с номинальным, а это практически трудно реализовать, так как номинальные напряжения двигателя и сети переменного тока строго согласованы.

В асинхронных электроприводах с частотным управлением поток пропорционален. В ПЧ осуществляется независимое управление частотой и амплитудой напряжения, приложенного к статору АД, поэтому имеется возможность работать при пониженных частотах с большими значениями потока, сущест­венно превышающими номинальное значение. В то же время можно доказать, что для минимизации потерь при малых часто­тах необходимо увеличивать поток по сравнению с номинальным значением, т. е. АД должен работать на нелинейном участке кривой намагничивания. Учет кривой намагничивания сущест­венно усложняет анализ условий существования минимума электрических потерь, поэтому здесь мы его не приводим, а интересующимся этим вопросом рекомендуем [3].