Принцип скалярного управления частотно-регулируемого асинхронного электропривода базируется на изменении час­тоты и текущих значений напряжения, магнитного потока и
тока двигателя. Управляемость двигателя при этом может обеспечиваться взаимосвязанным регулированием либо час­тоты и напряжения, либо частоты и тока статора двигателя, Первый способ управления принято называть частотным управлением, а второй — частотно-токовым управлением. Выбор способа управления определяется совокупностью ста­тических, динамических и энергетических требований к электроприводу.

Скалярный принцип частотного управления является наи­более распространенным в электроприводах с асинхронным двигателем.

При частотном управлении электромагнитный момент асинхронного двигателя зависит от частоты и напряжения переменного тока, питающего статор электрической машины. Наличие двух независимых каналов управления (уровнем на­пряжения и частотой) дает возможность реализовать в сис­теме преобразователь частоты — асинхронный двигатель (ПЧ —АД) различные законы управления.

Академиком М. П. Костенко установлено, что при сохране­нии постоянной перегрузочной способности двигателя X = Мк/МНОи регулирование параметров двигателя и сети должно осуществляться по закону

/

Ф

Г Ф

м,. и

(7.1)

где Мк, Мном — соответственно критический (максимальный) и номинальный момент электродвигателя; М, М2 — значения электромагнитного момента, соответствующие значениям магнитного потока Ф, и Ф2; Uh U2 — значения напряжений на статоре; /|, /2 — значения частоты переменного тока, питающего статор двигателя.

Если индексы величин знаменателей в формулах (7.1) от­нести к номинальным значениям (напряжению и частоте тока сети), то можно записать

{ м.

ном

и.

и

(7.2)

где Uu /) — соответственно напряжение и частота на выходе преобразователя частоты.

Обозначив U,/и =у; f/f =а; М, /М = и,

оконча-

I / ном *' 1 / ном ' I / ном “ '

тельно получим

(7.3)

Управляя двигателем в соответствии с выражением (7.3) при ненасыщенной магнитной системе электрической маши­ны, можно сохранить практически неизменными коэффици­ент мощности, скольжение, перегрузочную способность не­зависимо от изменения частоты.

Виды нагрузки определяют различные формы взаимосвя­занного управления напряжением и частотой.

При постоянном моменте нагрузки

(7.4)

у = а, или U/ї = const.

При постоянной мощности Р = cMf = const, здесь с — конструктивная постоянная двигателя, будем иметь

(7.5)

или ц = ап.

Часто нагрузка зависит от скорости исполнительного ор­гана рабочей машины со

(7.6)

При вентиляторной нагрузке (л = 2) будем иметь

(7.7)

Механические характеристики привода, сохраняющего теоретически постоянство перегрузочной способности двига­теля при указанных видах нагрузки, приведены на рис. 7.2. Однако, как видно из графиков, изображенных пунктирными линиями, сохранить постоянство перегрузочной способности двигателя не удается. Это связано с тем, что с уменьшением частоты растет влияние падения напряжения в активном со­противлении статорной цепи, которое при выводе основных законов управления не учитывалось.

Для того чтобы реализовать принцип скалярного частот­ного управления, необходимо в соответствии с выражением

(7.2) взаимосвязано управлять напряжением на статоре асин­хронной машины при изменении частоты.

а б в

Рис. 7.2. Механические характеристики привода, управляемого по системе преобразователь частоты - асинхронный двигатель: о — при постоянном моменте; б — при постоянной мощности; в — при вен­тиляторной нагрузке

В разомкнутых системах ПЧ —АД не удается достичь боль­шого диапазона регулирования скорости, поскольку в значительной степени проявляется етатизм (влияние измене­ния момента нагрузки на механическую характеристику при­вода). Например, уже при диапазоне регулирования 6:1 ета­тизм может достигать около 30 %. В частотно-управляемых замкнутых (с обратными связями по току, скорости или дру­гим величинам) системах электропривода диапазон регули­рования скорости расширяется до 50:1 и более, а в асинхрон­ных приводах с векторным принципом управления до 1000:1 и более.

Скалярное управление может быть реализовано при от­сутствии датчиков напряжения, тока и скорости, Тем не ме­нее, все современные ПЧ содержат датчики тока и напряже­ния для обеспечения сервисных защитных и других дополни­тельных функций. Датчики напряжения устанавливаются, как правило, в звене постоянного тока, а датчики тока — на вы­ходе инвертора в двух фазах.

При частотном регулировании скорости синхронных дви­гателей для случая постоянного момента сопротивления на валу двигателя напряжение на выходе ПЧ следует изменять по закону U/f = const. Если же момент приводимой рабочей машины зависит от скорости, то при изменении частоты тре­буется наряду с изменением напряжения регулировать ток возбуждения двигателя.

Рассмотрим законы скалярного управления при частотном регулировании скорости синхронного двигателя с неявно вы­раженными полюсами из условия обеспечения заданной пе­регрузочной способности (угол нагрузки 0 = 0НОМ = const).

Электромагнитный момент синхронного двигателя опреде­ляется следующей зависимостью:

M = MS in 9, (7.8)

m0x

где U — фазное напряжение на зажимах статора; Е — ЭДС, индуцируемая в обмотке статора; со0 — угловая скорость маг­нитного поля; х — синхронное индуктивное сопротивление.

Пренебрегая насыщением магнитной цепи, формулу (7.8) можно записать в виде

M = A^s-sin0, (7.9)

где /„ — ток возбуждения синхронного двигателя; А — посто­янная величина.

При постоянном значении утла нагрузки двигателя (9 = = 9Н0„) закон регулирования напряжения и тока возбужде­ния определится из соотношения

(?Л°) Mf

откуда следует

^ном^в, ном ^ном^ном

При U/f = [/„ом//„ом = const из (7.10) получим зависимость тока возбуждения синхронного двигателя от момента на валу

/в//в. „ом = М/Мном, (7.12)

т. е. при U/f — const возбуждение синхронного двигателя должно изменяться пропорционально моменту нагрузки.

Для /„//„, ном = const из (7.10) также следует, что U/f = = UHOM/fHOM = const и регулирование проводится при постоян­ном моменте (М = Мном).

При регулировании в режиме постоянной мощности регу­лирование осуществляется изменением только частоты при неизменных значениях тока возбуждения и напряжения.

По аналогии с двухзонным регулированием скорости дви­гателя постоянного тока независимого возбуждения можно реализовать аналогичное регулирование скорости синхронно­го двигателя. При постоянном моменте используется регули­рование скорости в зоне ниже номинального значения, а при постоянной мощности — в зоне выше номинального значе­ния скорости.