Вольт частотная характеристика асинхронного двигателя

Выбор преобразователя частоты

Очень важно сделать правильный выбор преобразователя (инвертора) частоты. От него будет зависеть эффективность и ресурс работы частотника и всего электропривода в целом.

В первую очередь при выборе модели частотного преобразователя следует исходить из конкретной задачи, которую должен решать электропривод, типа и мощности подключаемого электродвигателя, точности и диапазона регулирования скорости, точности поддержания момента вращения на валу двигателя, времени, отведенного для разгона и торможения, продолжительности включения и количества включений в час.

Так же, можно учитывать конструктивные особенности преобразователя, такие как размеры, форма, возможность выноса пульта управления и др.

При работе со стандартным асинхронным двигателем преобразователь частоты следует выбирать с соответствующей мощностью. Как правило, мощность инвертора подбирается равной мощности электродвигателя. Если требуется большой пусковой момент или короткое время разгона/замедления, выбирайте преобразователь на ступень выше стандартного.

При выборе частотного преобразователя для работы со специальными двигателями (двигатели с тормозами, погружные двигатели, с втяжным ротором, синхронные двигатели, высокоскоростные и т.д.) следует руководствоваться, прежде всего, номинальным током преобразователя, который должен быть больше номинального тока двигателя, а также особенностями настройки параметров преобразователя. В этом случае, желательно проконсультироваться со специалистами поставщика.

Не менее важным параметром преобразователя частоты является требование к величине напряжения питающей сети. Преобразователи питаются, в основном, от трехфазной сети переменного тока, имеющей напряжение в 380 В. Это, вполне соответствует российским стандартам качества электроснабжения. Следует также отметить, что некоторые производители выпускают преобразователи невысокой мощности (не более 1,5 кВт), которые рассчитаны на работу от однофазной сети, имеющей напряжение 220–240 В.

После того как учтены нагрузочная способность, и величина напряжения питающей сети можно определять требования к функциональным возможностям преобразователя.

Для начала необходимо выбрать способ управления двигателем (скалярный или векторный).

Управление по вольт-частотной характеристике

Управление по вольт-частотной характеристике реализует зависимость V/f=const, именуемую также V/f характеристикой и реже скалярный контроль. Такой алгоритм обеспечивает достаточное качество регулирования по скорости и применяется для управления нагрузками вентиляторного типа — двигателями насосов, вентиляторов и в других случаях, когда момент сопротивления мало меняется в установившемся режиме. Применение управления по вольт-частотной характеристике незаменимо при необходимости управлять несколькими двигателями синхронно от одного частотно-регулируемого привода (ЧРП), например в конвейерных линиях.

Векторное управление

Если необходимо обеспечить наилучшую динамику системы, например быстрый реверс за минимально возможное время, хорошим выбором является, так называемый, алгоритм векторного управления, фактически обеспечивающий амплитудно-фазовое управление. Этот алгоритм позволяет получить высокий пусковой момент и сохранить его до номинальной скорости асинхронного электродвигателя. Алгоритм обеспечивает высокое качество регулирования по скорости, даже при скачкообразном изменении момента сопротивления на валу. Важно и то, что векторное управление позволяет наилучшим образом обеспечить энергосбережение, т.к. преобразователь частоты (инвертор) передает в двигатель ровно столько мощности, сколько необходимо для вращения нагрузки с заданной скоростью, даже если входное напряжение больше чем 380В (например 440-460В, что часто встречается в промышленной сети). Экономия электроэнергии особенно заметна на мощных двигателях 11кВт и выше. В зависимости от применения достигается экономия энергии до 30%, а в некоторых случаях до 60%.

Различают сенсорный или полный векторный контроль и бессенсорный векторный контроль. Сенсорный векторный контроль позволяет точнее регулировать скорость асинхронного электродвигателя посредством датчика скорости (энкодера), установленного на двигателе, и устанавливаемой на преобразователе частоты (инверторе) плате обратной связи.

  1. Применять вольт-частотный метод в случаях, когда зависимость момента нагрузки двигателя известна и нагрузка практически не меняется при одном и том же значении частоты, а так же нижняя граница регулирования частоты не ниже 5…10 Гц при независимом от частоты моменте. При работе на центробежный насос или вентилятор (это типичные нагрузки с моментом, зависящим от скорости вращения) диапазон регулирования частоты – от 5 до 50 Гц и выше. При работе с двумя и более двигателями.
  2. Вольт-частотный с обратной связью по скорости — для прецизионного регулирования (необходимо использовать инкрементальный энкодер) с известной зависимостью момента от скорости вращения.
  3. Векторный – для случаев, когда в процессе эксплуатации нагрузка может меняться на одной и той же частоте, т.е. нет четкой зависимости между моментом нагрузки и скоростью вращения, а также в случаях, когда необходимо получить расширенный диапазон регулирования частоты при номинальных моментах, например, 0…50 Гц для момента 100% или даже кратковременно 150-200% от номинального момента. Векторный метод работает нормально, если введены правильно паспортные величины двигателя и успешно прошло его автотестирование. Векторный метод реализуется путем сложных расчетов в реальном времени, производимых процессором преобразователя на основе информации о выходном токе, частоте и напряжении. Процессором используется так же информация о паспортных характеристиках двигателя, которые вводит пользователь. Время реакции преобразователя на изменение выходного тока (момента нагрузки) составляет 50…200 мсек. Векторный метод позволяет минимизировать реактивный ток двигателя при уменьшении нагрузки путем адекватного снижения напряжения на двигателе. Если нагрузка на валу двигателя увеличивается, то преобразователь адекватно увеличивает напряжение и частоту на двигателе.
  4. Векторный с обратной связью по скорости – для прецизионного регулирования (необходимо использовать инкрементальный энкодер) скорости, когда в процессе эксплуатации нагрузка может меняться на одной и той же частоте, т.е. нет четкой зависимости между моментом нагрузки и скоростью вращения, а также в случаях, когда необходим максимальный диапазон регулирования частоты при моментах близких к номинальному.
Читайте также:  Какое масло заливать в двигатель крайслер пацифика

Не менее значимым фактором, определяющим выбор частотного преобразователя, является режим работы электропривода.

Известно, что любой электродвигатель может работать в 4-х режимах: двигательном, генераторном, в режиме динамического торможения и торможения противовключением.

Большинство современных преобразователей способны обеспечить первый и последний режимы работы двигателя. При этом последний вариант, торможение противовключением применяется только на низких скоростях вращения и довольно малых запасах энергии в рабочем органе.

Это означает, что отсутствие каких-либо дополнительных мер, приведет к выходу двигателя из строя. Именно поэтому в преобразователях такого типа используется торможение выбегом (при необходимости двигатель тормозится под воздействием силы трения в рабочем механизме). Данный способ приемлем при работе с насосами, но совершенно не подходит для электропривода станка.

При выборе преобразователя частоты не стоит забывать и о таком вопросе, как приобретение и использование дросселей. Существует два типа дросселей:

Сетевой дроссель подключается непосредственно в сеть питания частотно-регулируемого привода (ЧРП), он выполняет защитные функции, являясь своего рода двусторонним буфером между преобразователем и нестабильной сетью.

Моторный дроссель подсоединяется между двигателем и преобразователем частоты. Он выполняет функции, связанные с ограничением скорости нарастания напряжения, а также для ограничения токов короткого замыкания.

Зачастую производители преобразователей частоты предлагают дроссели в качестве дополнительных опций.

Источник

Методы регулирования, используемые в преобразователях частоты для управления двигателями переменного тока

В настоящее время, управление скоростью двигателей переменного тока с помощью преобразователей частоты широко применяется практически во всех отраслях промышленности.

На практике, применяются системы регулирования скорости трехфазных двигателей переменного тока на основе двух разных принципов управления:
1. U/f- регулирование (вольт-частотное или скалярное управление);
2. Векторное управление.

В настоящее время, управление скоростью двигателей переменного тока с помощью преобразователей частоты широко применяется практически во всех отраслях промышленности. Это, прежде всего, связано с большими достижениями в области силовой электроники и микропроцессорной техники, на основе которых были разработаны частотные преобразователи. С другой стороны, унификация производства преобразователей частоты производителями, позволила достаточно сильно повлиять на их стоимость и сделала их окупаемыми в достаточно короткие промежутки времени. Экономия энергоресурсов при применении преобразователей для управления асинхронными двигателями в некоторых случаях может достигать 40% и более.
На практике, применяются системы регулирования скорости трехфазных двигателей переменного тока на основе двух разных принципов управления:
1. U/f- регулирование (вольт-частотное или скалярное управление);
2. Векторное управление.

Читайте также:  Как определить короткозамкнутые витки в двигателе

U/f- регулирование скорости асинхронного электропривода

Скалярное управление или U/f-регулирование асинхронным двигателем – это изменение скорости двигателя путем воздействия на частоту напряжения на статоре при одновременном изменении модуля этого напряжения. При U/f-регулировании частота и напряжение выступают как два управляющих воздействия, которые обычно регулируются совместно. При этом частота принимается за независимое воздействие, а значение напряжения при данной частоте определяется исходя из того, как должен изменяться вид механических характеристик привода при изменении частоты, т.е., из того, как должен меняться в зависимости от частоты критический момент. Для реализации такого закона регулирования необходимо обеспечить постоянство соотношения U/f=const, где U-напряжение на статоре, а f-частота напряжения статора.
При постоянстве перегрузочной способности номинальные коэффициент мощности и к.п.д. двигателя на всем диапазоне регулирования частоты вращения практически не изменяются.
К законам U/f-регулирования можно отнести законы, связывающие величины и частоты питающего двигатель напряжения (U/f=const, U/f2=const и другие). Их достоинством является возможность одновременного управления группой электродвигателей. Скалярное управление используется для большинства практических случаев применения частотного электропривода с диапазоном регулирования частоты вращения двигателя без использования датчика обратной связи до 1:40. Алгоритмы скалярного управления не позволяют реализовать контроль и управление вращающим моментом электродвигателя, а также режим позиционирования. Наиболее эффективная область применения данного способа управления: вентиляторы, насосы, конвейеры и т.д.

Векторное управление

Векторное управление – это метод управления синхронными и асинхронными двигателями, не только формирующий гармонические токи и напряжения фаз (скалярное управление), но и обеспечивающий управление магнитным потоком двигателя. В основе векторного управления лежит представление о напряжениях, токах, потокосцеплениях, как о пространственных векторах.
Основные принципы были разработаны в 70-х годах 20 века. В результате фундаментальных теоретических исследований и успехов в области силовой полупроводниковой электроники и микропроцессорных систем, на сегодняшний день, разработаны электроприводы с векторным управлением, которые серийно выпускаются производителями приводной техники всего мира.
При векторном управлении в асинхронном электроприводе в переходных процессах имеется возможность поддерживать постоянство потокосцепления ротора, в отличие от скалярного регулирования, где потокосцепление ротора в переходных процессах меняется при изменении токов статора и ротора, что приводит к снижению темпа изменения электромагнитного момента. В приводе с векторным управлением, где потокосцепление ротора можно поддерживать постоянным, электромагнитный момент изменяется так быстро, как быстро изменяется составляющая тока статора (аналогия с изменением момента при изменении тока якоря в машине постоянного тока).
При векторном управлении в звене управления подразумевается наличие математической модели регулируемого электропривода. Режимы векторного управления можно проклассифицировать следующим образом:
1. По точности математической модели электродвигателя, используемой в звене управления:
• Использование математической модели без дополнительных уточняющих измерений устройством управления параметров электродвигателя (используются лишь типовые данные двигателя, введенные пользователем);
• Использование математической модели с дополнительными уточняющими измерениями устройством управления параметров электродвигателя, т.е. активных и реактивных сопротивлений статора/ротора, напряжения и тока двигателя.
2. По наличию или отсутствию обратной связи по скорости (датчика скорости) векторное управление можно разделить на:
• Управление двигателем без обратной связи по скорости – при этом устройством управления используются данные математической модели двигателя и значения, полученные при измерении тока статора и/или ротора;
• Управление двигателем с обратной связью по скорости – при этом устройством используется не только значения, полученные при измерении тока статора и/или ротора электродвигателя (как в предыдущем случае), но и данные о скорости (положении) ротора от датчика, что в некоторых задачах управления позволяет повысить точность отработки электроприводом задания скорости (положения) .

Читайте также:  Что такое длительный режим работы двигателя

К основным законам векторного управления можно отнести следующие:
а. Закон обеспечивающий постоянство магнитного потокосцепления статора ψ1 (соответствующее постоянству Евнеш /f).
б. Закон, обеспечивающий постоянство магнитного потокосцепления воздушного зазора ψ0 (постоянство Е/f );
в. Закон, обеспечивающий постоянство магнитного потокосцепления ротора ψ2 (постоянство Евнут/f).
Закон поддержания постоянства потокосцепления статора реализуется при поддержании постоянного отношения ЭДС статора к угловой частоте поля. Основной недостаток такого закона – пониженная перегрузочная способность двигателя при работе на высоких частотах. Обусловлено это увеличением индуктивного сопротивления статора и, следовательно, снижением потокосцепления в воздушном зазоре между статором и ротором при увеличении нагрузки.
Поддержание постоянства главного потока повышает перегрузочную способность двигателя, но усложняет аппаратную реализацию системы управления и требует либо изменений конструкции машины, либо наличия специальных датчиков.
При поддержании постоянного потокосцепления ротора, момент двигателя не имеет максимума, однако при увеличении нагрузки увеличивается главный магнитный поток, приводящий к насыщению магнитных цепей и, следовательно, к невозможности поддержания постоянства потокосцепления ротора.

Сравнительная оценка законов регулирования скорости асинхронным электроприводом изменением частоты напряжения на статоре

На рис.1 приведены результаты теоретических исследований энергетических показателей асинхронного двигателя мощностью Рн=18,5 кВт при различных законах частотного управления, которые проводились в работе В.С. Петрушина и к.т.н. А.А. Танькова «Энергетические показатели асинхронного двигателя в частотном электроприводе при различных законах управления». Там же даны результаты эксперимента, проведенного при испытании этого двигателя (закон частотного управления U/f = const). Двигатель работал на нагрузку с постоянным моментом 30,5 Нм в диапазоне скоростей 500 — 2930 об/мин.
Сопоставив полученные зависимости можно сделать вывод, что в зоне небольших скоростей при использовании законов управления второй группы КПД больше на 7-21%, а коэффициент мощности меньше на 3-7%. С увеличением скорости различия снижаются.


а)

Рис.1. Изменение КПД (а) и cosφ (б) в диапазоне регулирования: 1 — экспериментальные зависимости; расчетные зависимости при разных законах управления: 2 — U/f = const, 3 — Евнеш /f = const, 4 — Е/f= const, 5 — Евнут /f= const.
Таким образом, законы векторного управления обеспечивают не только лучшее управление электроприводом в статических и динамических режимах, но и повышение КПД двигателя и, соответственно, всего привода. Однако все законы с поддержанием постоянства потокосцепления имеют свои определенные недостатки.
Общим недостатком законов с поддержанием постоянства потокосцепления являются: низкая надежность, обусловленная наличием датчиков, встраиваемых в двигатель, и потери в стали при работе двигателя с нагрузочным моментом меньше номинального. Эти потери вызваны необходимостью поддержания постоянного номинального потокосцепления в различных режимах работы.
Существенно повысить КПД двигателя можно путем регулирования магнитного потока статора (ротора) в зависимости от величины нагрузочного момента (скольжения). Недостатками такого управления являются низкие динамические характеристики привода, обусловленные большой величиной постоянной времени ротора, из-за чего магнитный поток машины восстанавливается с некоторой задержкой и сложность технической реализации системы управления.
На практике группа законов с постоянством магнитного потока получила распространение для динамичных электроприводов, работающих с постоянным моментом сопротивления на валу и с частыми ударными приложениями нагрузки. В то время как группа законов с регулированием магнитного потока в функции нагрузки на валу применяется для низкодинамичных электроприводов и для приводов с “вентиляторной” нагрузкой.

Источник

Adblock
detector