Частотное управление асинхронными двигателями. Законы частотного регулирования. Регулирование с постоянной мощностью

                Лекция13

   1. Частотное управление асинхронными двигателями

Электромеханическое преобразование энергии  в асинхронных машинах происходит при наличии взаимно неподвижных вращающихся полей статора и ротора, т.е. при выполнении условия , где   частота вращения поля статора,  частота вращения поля ротора относительно ротора, частота вращения ротора, число пар полюсов,   и  - частоты токов статора и ротора соответственно.

Мощность, потребляемая машиной из сети, равна  мощность, отдаваемая нагрузке, полезная мощность, ,  а их разность - это мощность потерь, связанная с преобразованием энергии.

     

                                                                           

Рис. 1-1                                                                                                       

Параметрические способы регулирования скорости (изменение амплитуды питающего напряжения или изменение сопротивления  цепи ротора у двигателей с фазным ротором) приводят к тому, что скорость идеального холостого хода двигателя остается неизменной, а это означает, что при постоянном моменте нагрузки электромагнитная мощность потребляемая двигателем из сети  также остается постоянной.  Работа двигателя на пониженной скорости сопровождается ростом потерь, которые оказываются пропорциональными частоте скольжения   где      

.

Применение частотных способов регулирования, при  которых изменяется скорость холостого хода, т.е. , сопровождается уменьшением величины потребляемой энергии при практически неизменной величине потерь.

Благоприятные энергетические соотношения при частотном регулировании и наличие в настоящее время регулируемых по частоте и напряжению источников питания привели к тому, что этот способ регулирования скорости и момента  асинхронных двигателей стал основным.

1.1. Законы частотного регулирования

При выборе закона частотного регулирования  часто исходят из условия  сохранения  перегрузочной способности двигателя:

Пренебрегая паданием напряжения на активном сопротивлении  цепи статора,  и учитывая, что ,  можно найти

Для любой частоты  и соответствующей угловой скорости  можно записать

где  фазное напряжение при частоте,   - момент статической нагрузки на валу двигателя при скорости

Из последнего выражения следует, что для двух любых значений частот  и   должно соблюдаться равенство

Отсюда следует закон частотного регулирования

 или в относительных единицах          

Этот закон называют основным законом частотного регулирования или законом Костенко, который описал его в статье “Работа многофазного асинхронного двигателя при переменном числе периодов” - Электричество, N2, 1925 г.

Закон получен в пренебрежении падением напряжения на активных сопротивлениях статора и насыщением магнитной цепи. Закон Костенко дает выражение для напряжения при произвольном значении частоты и учитывает свойства нагрузки. Если нагрузка с уменьшением частоты также уменьшается, то нет смысла сохранять поток двигателя неизменным. Его можно уменьшить настолько,  чтобы сохранить коэффициент статической перегрузки, т.е. запас статической устойчивости.

Уменьшение потока с уменьшением нагрузки при том же запасе устойчивости дает уменьшение потерь в стали и повышает экономичность привода с частотным управлением и часто изменяющейся нагрузкой по сравнению с асинхронным двигателем при постоянной частоте питания.

Диапазон регулирования скорости двигателя ограничен сверху насыщением магнитопровода.   С ростом отношения    растет поток и резко увеличивается ток намагничивания  .     По этой причине применение закона Костенко практически ограничено нагрузками, не слишком превышающими  .

Нижняя граница диапазона  зависит от статического момента при трогании двигателя.

Практическое применение основного закона ( закона Костенко) ограничивают трудности непосредственного измерения момента на валу двигателя.

Задача упрощается в ряде практических случаев, если учесть реальный характер изменения статического момента. Для многих механизмов зависимость момента от скорости  в зоне регулирования м.б. представлена в виде степенной функции вида

, где М₀ - момент статической нагрузки при

Учитывая, что   получим   

Основной закон принимает вид   

Из всего многообразия зависимостей  наиболее часто встречаются три    случая:

1. -  не зависит от скорости    q=0,    М_с= const, U₁/f₁=const  или     .

2. - Регулирование с постоянной мощностью

Р_с= const.                  ,      

3. Идеализированная вентиляторная нагрузка:

          ,                                            

Характеристики двигателя для трех указанных случаев показаны на рисунках 1.2а, 1.2б, 1.2 с.

а                     б                          с

                                                                          

                                                                                                                                  

        М                                                                                                                                

Рис.1-2

Применение упрощенных законов частотного регулирования позволяет получить наиболее простые системы регулирования (рис.1.3), в которых входным воздействием является частота f₁, а закон регулирования задается блоком связи БС.

Рис.1-3