Автоматизированный электропривод переменного тока. Основные требования к частотно-регулируемому электроприводу

АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД  ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Введение.

Основные требования к частотно-регулируемому электроприводу такие же, как и к любому регулируемому приводу – обеспечение значений координат движения – скорости ω и момента М, при которых бы в различных производственных механизмах обеспечивалось оптимальное протекание технологических процессов. Связь между ними в установившемся процессе определяется механическими характеристиками ω = f (М) электропривода и механизма. При этом требуемыми, т.е. служащими заданием для электропривода, являются значения скорости ω и момента М, соответствующие механическим характеристикам механизма. Задача системы управления электроприводом состоит в обеспечении этих значений во всех режимах работы, предусмотренных технологическим процессом.

Как известно, угловая частота напряжения питания равна ω_0эл = 2πf₁, а частота вращения магнитного поля статора асинхронных двигателей в пространстве и синхронная скорость вращения ротора зависят еще и от числа пар полюсов р_п:   ω₀ = ω_0эл/р_п = 2πf₁/ р_п, где f₁ - частота питающего напряжения. Таким образом, при определенном  р_п  задача регулирования скорости вращения ротора двигателя переменного тока ω сводится к регулированию частоты f₁. Основной же проблемой, которую приходится решать при частотном регулировании, является получение требуемых значений моментов двигателя.

Поэтому о природе создания моментов двигателя следует поговорить отдельно. Согласно теории электрических машин, у всех электрических двигателей  преобразование энергии, результатом которого является создание электромагнитного момента, осуществляется по единым законам.

На рисунке 1.1  приведена элементарная модель двигателя вращательного движения. Если в магнитное поле Ф, созданное обмоткой, расположенной на статоре, поместить рамку с током I, представляющую собой часть обмотки ротора, то часть магнитного потока будет пронизывать рамку. Ток в рамке создает поток ротора, ортогональный к плоскости рамки и пропорциональный ему по величине. В результате взаимодействия полей статора и ротора возникают электромагнитные усилие и момент, приложенные к рамке. Не весь поток Ф, создаваемый обмоткой статора, участвует        Рис. 1.1. Элементарная модель двигателя в создании момента, а только та его часть, которая  w₂ проводников обмотки  ротора и                                электродвигателя характеризуется величиной потокосцепления Ψ = Ф·w₂. Оставшаяся часть называется  потоком рассеяния и оценивается индуктивностью рассеяния L_σ . Электромагнитный момент определяется величинами потокосцепления Ψ и тока ротора I, а также углом δ между  их векторами. Эту зависимость можно представить векторным произведением  вектора потокосцепления  и вектора тока I, ориентированного вдоль оси, перпендикуляр-ной к плоскости  рамки:                       

М = || × ||,          или в скалярной форме:    М = Ψ ·I · sinδ,  где Ψ и I – амплитуды потокосцепления статора и тока ротора.                                                                                   

В двигателях постоянного тока ток в рамке I протекает за счет приложенного к якорю напряжения (как это показано на рисунке) и создает пропорциональный ему по величине поток ротора (якоря), направление которого совпадает с вектором тока, ортогональным к плоскости рамки. Причем магнитный поток и потокосцепление постоянны, а угол δ = 90˚, что достигается фиксированным расположением щеточного аппарата, т.е. конструктивно. Таким образом, момент пропорционален току обмотки якоря при наибольшем значении sinδ = 1, т.е. зависит только от одной переменной – тока якоря.

В синхронных двигателях с постоянными магнитами на роторе поток ротора создается этими магнитами и его потокосцепление постоянно по величине, а  положение вектора потока в пространстве однозначно определяется положением ротора. Ток в обмотке статора, создающий поток статора, протекает за счет напряжения питания. При идеальном холостом ходе (М = 0) потоки обмоток статора и ротора в пространстве совпадают (δ = 0˚). При увеличении нагрузки ротор и вектор его потока отстают в пространстве от вектора потокосцепления статора на угол δ, а создаваемый ими момент возрастает, достигая максимального значения при δ = 90˚, что является предельным для синхронного двигателя. Следовательно, в синхронных двигателях момент пропорциона-лен произведению тока статора I на sinδ, т.е. зависит от двух переменных: I и δ.

В вентильных двигателях, являющихся их разновидностью, система управления строится таким образом, что определенным фазированием напряжения питания обмоток статора в зависимости от положения ротора постоянно обеспечивается угол δ = 90˚. Таким образом, в вентильном двигателе момент пропорционален току обмотки статора т.е. зависит только от одной переменной – тока обмотки статора  при наибольшем значении sinδ = 1. Таким образом, вентильный двигатель по регулировочным свойствам эквивалентен двигателю постоянного тока.