Вы сейчас просматриваете Частотно-токовый способ управления асинхронным двигателем при работе на произвольную нагрузку

Частотно-токовый способ управления асинхронным двигателем при работе на произвольную нагрузку

Содержание

Из литературных источников [1, 2] известны способы частотного пуска асинхронных двигателей (АД), позволяющие осуществить разгон двигателя до заданной скорости с постоянным заданным значением пускового тока.

Необходимая скорость нарастания частоты во времени может быть обеспечена узлом токоограничения, настроенным на определенное значение тока статора I1=const.

Вывод математической модели управления электродвигателя

Для обеспечения минимально возможного времени разгона двигателя до заданной скорости при постоянном токе I1 необходим такой закон изменения напряжения от частоты U11), который обеспечивает максимум отношения вращающего момента к току I1 (или его квадрату), согласно работы [1].

Данное решение представлено в уравнении:

где

  • z0, r0, x0 z0, r0, x0 — соответственно полное, активное и индуктивное сопротивление ветви схемы замещения соответствующей магнитной цепи машины.
  • β — относительный параметр абсолютного скольжения.
  • ω1H — номинальная угловая скорость поля статора.
  • x2 — индуктивное сопротивление ротора.
  • r2 — активное сопротивление ротора.
  • m1 — число фаз обмотки статора.

Из уравнения (1) видно, что отношение M/I12 является функцией абсолютного скольжения β и при некотором значении β= βопт имеет максимум.

При допущении, что магнитная система машины не насыщена:

Если же необходимо учитывать насыщение машины, что имеет место при больших токах статора, то необходимо учитывать нелинейную зависимость между потоком и индуктивным сопротивлением намагничивающей цепи, что представлено в статьях [2, 3].

Таким образом, поддерживая абсолютное скольжение АД на уровне оптимального, можно получить максимальный момент при заданном токе статора, при этом формирование электромагнитного момента будет происходить независимо от частоты вращения АД.

Поддержание абсолютного скольжения АД можно осуществить различными способами.

Наиболее простым является реализация положительной обратной связи по частоте вращения:

где

  • α, αр — соответственно относительная частота тока статора, относительная частота вращения АД.

Напряжение на статоре формируется в соответствии с работой [4], получим следующим образом:

Частотно-токовый способ управления асинхронным двигателем при работе на произвольную нагрузку

где

  • Ь, с, d, е — коэффициенты, зависящие от параметров двигателя [4].
  • r1 — активное сопротивление статора.

Важными преимуществами данного способа частотного управления АД, как было упомянуто выше, являются ограничение тока статора на уровне заданного, что, в свою очередь, минимизирует потери в меди двигателя при пуске и в процессе работы, а также отсутствие зависимости электромагнитного момента от частоты вращения вала АД.

Перечисленные достоинства этого способа позволяют предложить его для управления АД при произвольной нагрузке на валу, характерной для следующего оборудования:

  • Машин разрушающих горную породу.
  • Скребковых и ленточных конвейеров.
  • Лент транспортирующих шихту к барабану-окомкователю.
  • АЭП роликов рольгангов и ЭМС с большими моментами инерции.

Ниже представлены характеристики, смоделированные при разгоне и работе двигателя с переменным моментом сопротивления на валу АД.

Построение графиков на основании полученных моделей

В процессе моделирования был произведен пуск АД с переменным моментом нагрузки на валу, равным номинальному моменту двигателя.

В процессе пуска АД абсолютное скольжение поддерживалось равным оптимальному значению, а ток статора на заданном уровне, что видно из представленных характеристик.

На рисунках 1 и 2 представлены процессы изменения механических и электрических координат АД при частотно-токовом управлении:

Рисунок 1 - Изменение электромагнитного момента АД и частоты вращения при переменном моменте нагрузки (частота колебаний нагрузки 5Гц)
Рисунок 1 - Изменение электромагнитного момента АД и частоты вращения при переменном моменте нагрузки (частота колебаний нагрузки 5Гц)

где

  • Как видно из рисунка 1, вследствие применения данного способа управления АД, электромагнитный момент имеет максимальную величину в течение пуска, соответствующую заданному значению тока статора при оптимальном значении абсолютного скольжения.
  • После достижения двигателем заданной величины частоты вращения остается неизменным и равным средней величине момента нагрузки, в результате чего частота вращения колеблется около заданного значения в пределах, определяемых величиной β.
  • Причем величина абсолютного скольжения определяется теперь средней величиной момента нагрузки.
Рисунок 2 - Изменение действующего значения напряжения и модуля тока статора АД
Рисунок 2 - Изменение действующего значения напряжения и модуля тока статора АД

где

  • На рисунке 2 показан процесс изменения, подводимого к статору АД напряжения для обеспечения заданного значения модуля тока статора в соответствии с описанным выше способом управления АД.

Ток статора в течение пуска сохраняет заданное значение, равное 1,85IH, что в несколько раз ниже значения тока при неуправляемом пуске.

Нелинейный характер изменения напряжения связан с необходимостью поддержания заданного тока статора в течение пуска, а также вследствие нелинейного нарастания частоты напряжения на статоре (3).

Для сравнения на рисунках 3 и 4 показан пуск и работа АД для управления по закону U/ƒ=const:

Рисунок 3 - Изменение электромагнитного момента АД и частоты вращения при переменном моменте нагрузки (частота колебаний нагрузки 5Гц)
Рисунок 3 - Изменение электромагнитного момента АД и частоты вращения при переменном моменте нагрузки (частота колебаний нагрузки 5Гц)
Рисунок 4 - Изменение действующего значения напряжения и модуля тока статора АД
Рисунок 4 - Изменение действующего значения напряжения и модуля тока статора АД

На рисунках 5 и 6 показан неуправляемый вариант пуска и работы электродвигателя:

Рисунок 5 - Изменение электромагнитного момента АД и частоты вращения при переменном моменте нагрузки (частота колебаний нагрузки 5 Гц)
Рисунок 5 - Изменение электромагнитного момента АД и частоты вращения при переменном моменте нагрузки (частота колебаний нагрузки 5 Гц)
Рисунок 6 - Действующее значение напряжения и изменение модуля тока статора АД
Рисунок 6 - Действующее значение напряжения и изменение модуля тока статора АД

В данном случае электромагнитный момент АД зависит от изменения скорости, а модуль тока статора в процессе пуска изменяется в пределах:

  • (5,95÷2,38)IH для управления по закону U/ƒ=const.
  • (10,9÷8.3)IH для неуправляемого варианта, что ухудшает динамику пуска и работы машин с переменными моментами сопротивления и большими моментами инерции.

Использование приведенного в работах [1, 2] принципа формирования пускового режима АД в процессе работы машины на переменную нагрузку позволяет добиться снижения колебаний электромагнитного момента и, следовательно, увеличения долговечности механического канала электропривода.

Для моделирования режимов работы АД использовалась модель обобщенной машины [5]:

где

  • isα, isβ, irα, irβ — проекции векторов тока статора is и ротора ir.
  • Ψ , Ψ , Ψ , Ψ проекции векторов потокосцеплений статора Ψs и ротора Ψr.
  • usα, usβ — проекции вектора статорного напряжения Us на неподвижные оси координат α и β.

Для опытов использовался электродвигатель марки 4А132М4 со следующими параметрами:

  • IH=21,53 А.
  • Рном=11 кВт.
  • Uфном=380 В.
  • Мном=54,1 Нм.

Следовательно момент нагрузки на валу изменяется в соответствии с выражением:

Список литературы

  1. О частотном пуске асинхронных гиродвигателей / Попов Д.А. // Электричество, 1968 год, №8, страницы 60-66.
  2. К частотному пуску электродвигателей забойных машин / Иванов В.Л., Тимофеева Л.И., Гаврилов П.Д.// Известия ВУЗов, Электромеханика, 1973 год, №4.
  3. Оптимизация частотноуправляемого асинхронного электропривода по минимуму тока / Шубенко В.А., Шрейнер Р.Т., Мищенко В.А. // Электричество, 1970 год, №9, страницы 23-26.
  4. Булгаков А.А., Частотное управление асинхронными двигателями — Москва: Наука, 1955 год, страница 212, 1966 год, страница 297.
  5. Переходные процессы в машинах переменного тока / Ковач К.П., Рац И. — Москва — Ленинград: Госэнергоиздат, 1963 год, страница 744.
  6. Повышение эффективности электропривода переменного тока, работающего с переменной нагрузкой и производительностью.

Источник: Частотно-токовый способ управления асинхронным двигателем при работе на произвольную нагрузку / П.Д. Гаврилов, А.А. Неверов // Вестник КузГТУ,  2005 год, №3, страницы 21-23.

Добавить комментарий

Gekoms LLC

Коллектив экспертов, большая часть опыта и знаний которых востребованы в области промышленной автоматизации, разработке технически сложного оборудования, программировании АСУТП, управлении электроприводом. Телефон: +7(812) 317-00-87 Email: info@gekoms.ru Сайт: https://gekoms.org