Механическая часть электромеханической системы. Нагрев и охлаждение электродвигателей. Шаговый двигатель как элемент электромеханической системы, страница 8

2. Общие вопросы частотного управления.

Одним из способов регулирования скорости асинхронного двигателя является изменение частоты напряжение переменного тока, питающего этот двигатель. Наглядно, это вытекает из выражения, определяющего скорость вращения электрической машины, а именно, w_s = 2p.f_s /p – где f_s – частота напряжения переменного тока, р – число пар полюсов двигателя. Однако при таком способе регулирования скорости кроме частоты должно изменятся и подводимое к двигателю напряжение. Необходимость взаимосвязанного изменения напряжения и частоты обусловлена явлением насыщения магнитопровода электрической машины и зависимостью ЭДС от частоты и магнитного потока. Действующее значение ЭДС фазы статора определяется так: Е_s=с_e.Ф.f_s , где с_е = 4,44w_sk_w, Ф – магнитный поток машины, w_s– количество витков обмотки, k_w– обмоточный коэффициент. Отсюда имеем Ф = Е_s/(с_e.f_s). Изменение частоты питающего напряжения приводит к изменению магнитного потока. В случае уменьшения частоты поток возрастает, что приводит к насыщению машины. Чтобы сохранить значение магнитного потока для эффективного использования двигателя, необходимо изменять подводимое к его обмоткам статора  напряжение. В данном случае, чтобы сохранить постоянное значение магнитного потока на всех частотах напряжения питания, следует поддерживать постоянство отношения ЭДС к частоте, т.е. Е_s/f_s– const. Известно, что магнитный поток машины индуцирует в обмотках статора ЭДС Е_s, которая совместно с падением напряжения на полном сопротивлении этой обмотки Z_s=R_s+jX_s от протекающего в ней тока I_s уравновешивает приложенное к статору напряжение питания u_s т.е. . Следовательно, соотношение между магнитным потоком и напряжением статора будет следующим:

.

В случае питания асинхронной машины от источника синусоидального напряжения промышленной частоты явлением вытеснения тока в проводниках пренебрегают и считают, что активные сопротивления обмоток статора не зависят от частоты. Реактивные сопротивления обмоток пропорциональны частоте питающего напряжения. И поэтому, если полное сопротивление обмотки статора мало, значение ЭДС  пропорционально значению напряжения  и будет примерно постоянным при –const. Этот наиболее простой закон частотного регулирования используют в разомкнутых системах регулирования скорости. Для надёжной работы электродвигателя в системе регулируемого электропривода необходимо, чтобы его максимальный момент был всегда больше момента нагрузки, т.е. двигатель обладал определённой перегрузочной способностью. Поэтому при частотном управлении этот аспект необходимо учесть и законы управления выводить из условия сохранения перегрузочной способности по отношению к текущему значению момента нагрузки, либо по отношению к предельному расчётному моменту. Закон частотного управления, полученный из условия сохранения перегрузочной способности при синусоидальном напряжении для идеализированного двигателя (активное сопротивление обмотки статора R_s=0, магнитная система двигателя ненасыщенна, принудительное охлаждение при регулировании угловой скорости двигателя), выведен М.П. Костенко и имеет следующую запись:

 , где –относительное напряжение – отношение напряжения статора к его номинальному значению, – относительная частота – отношение частоты тока статора к её номинальному  значению,   – относительный момент – отношение текущего значения момента к его номинальному значению. Механические характеристики для этого случая приведены на рис. 000. Из приведенного закона для регулирования угловой скорости по граничному моменту можно вывести следующие частные случаи:

– регулирование при постоянном моменте нагрузки (М_ст = const):   g = a  или U_s/f_s – const (пропорциональный закон управления);

– регулирование при нагрузке с постоянной мощностью (Р_ст = const):  или const;

– регулирование при вентиляторной нагрузке (М_ст  º w²): g = a²  или  .