Сравнительная характеристика способов частотного регулирования асинхронного электропривода

Аннотация

Приведен сравнительный анализ способов частотного регулирования/управления асинхронного короткозамкнутого двигателя без датчика скорости для основных способов: U/f с линейной характеристикой, U/f с контролем тока намагничивания (FCC) и векторное регулирование без датчика скорости. Показана целесообразность применения векторного регулирования без датчика скорости в диапазоне 10:1.

Постановка проблемы

Частотно-регулируемый электропривод в настоящее время является основным типом регулируемого привода во всех отраслях промышленности. Различают скалярное и векторное регулирования скорости асинхронного привода. При скалярном управлении формируются гармонические токи двигателя [1]. Векторное регулирование – это метод управления электрическими машинами переменного тока с вращающимся магнитным полем, формирующий гармонические токи (напряжения) фаз и обеспечивающий управление магнитным потоком ротора (моментом на валу двигателя) [2]. На практике наиболее часто применяются частотно-регулируемые асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором без датчика скорости.

Особенностью асинхронного двигателя является то, что его параметры одной и той же мощности, одного и того же производителя существенно отличаются [3]. Это обстоятельство требует автоматическою определения параметров привода конкретного двигателя. Для выбора системы регулирования представляет интерес сравнить различные способы частотного/регулирования/управления двигателя и показать различие в определении параметров двигателя по его паспортным данным и по результатам автоматической настройки.

Анализ последних исследований и публикации

В технической литературе достаточно подробно рассмотрены способы частотного регулирования асинхронного привода без датчика скорости, однако отсутствует анализ механических характеристик асинхронного привода для одного и того же двигателя при различных способах частотного управления в широком диапазоне изменения скорости [4]. Известно, что параметры асинхронного двигателя одной и тон же мощности одного и того же производителя отличаются от аналогичных параметров, рассчитанных по паспортным данным [5]. Однако отсутствует количественный анализ такого различия в определении параметров конкретного двигателя.

Цель (задачи) исследования

Целью данной работы является проведение сравнительного анализы механических и скоростных характеристик при различных способах регулирования/управления скорости, а также анализ отклонения параметров двигателя, определенных по паспортным данным и в результате автоматической настройки.

Основной материал исследования

Современный электропривод с микропроцессорной системой регулирования позволяют, во-первых, быстро и удобно проводить определение параметров привода, а также запоминать в виде файла все параметры, во-вторых – активизировать, подпрограммы самонастройки привода, которые в автоматическом режиме помогают пользователю (инженеру наладчику) подобрать необходимые параметры регуляторов, в-третьих вносить необходимые изменения в систему регулирования, адаптируя ей к конкретной технологической задаче [6].

Удобство параметрирования и настройки современных электроприводов с помощью персонального компьютера обеспечивается современными программными пакетами, которые позволяют иметь оперативный доступ к любому параметру привода, а также получить в цифровом виде осциллограммы переходных процессов для того, чтобы можно было оценить качество настройки системы регулирования. Например, для приводов поколения SINAMICS таким программным пакетом является программа STARTER.

Для проведения исследования частотно-регулируемых электроприводов был создан стенд, структурная схема которого приведена на рис. 1.

В основе стенда лежит спарка двух электрических машин, асинхронной машины с короткозамкнутым ротором и синхронной машины с постоянными магнитами, установленных на одном валу, каждая из которых подключена к собственному преобразователю частоты. При такой конструкции исследуемая машина может быть нагружена регулируемым моментом посредством нагрузочной машины.

Экспериментальный стенд для исследования режимов работы современных приводов переменного тока состоит из следующих частей:

• QF1, QF2 – автоматические выключатели;
• Simatic S7-314C 2DP – программируемый логический контроллер серии S7-300 с возможностью подключения децентрализованной периферии;
• Компьютер, выступающий в качестве программатора;
• CP 5611 – коммуникационный процессор для программирования логического контроллера и приводов переменного тока;
• привод Sinamics G120;
• привод Sinamics S120;
• АМ – асинхронный двигатель;
• СМ – синхронный двигатель;
• ИД – импульсный датчик;
• Profibus – промышленная информационная сеть для коммуникации компьютера, программируемого логического контроллера и приводов.

Исследуемый асинхронный двигатель имеет следующие данные: номинальная мощность P_N = 0,75 кВт, номинальное напряжение U_SN = 380 В, номинальный ток I_SN = 2,12 А, коэффициент мощности cosφ_N = 0,8, номинальная частота статора f_SN = 50 Гц, номинальная скорость вращения вала двигателя n_N = 1395 об/мин. В литературе приведена методика расчёта параметров Г-образной схемы замещения асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором (рис. 2) на основе паспортных данных

Потокообразующая компонента вектора тока статора в номинальном режиме определяется по формуле:

Моментообразующая компонента вектора тока статора в номинальном режиме рассчитывается по формуле:

Абсолютное скольжение определяется по формуле:

Постоянная времени ротора определяется по формуле:

Индуктивное сопротивление рассеяния рассчитывается по формуле:

Индуктивное сопротивление главного контура намагничивания определяется по формуле:

Активное сопротивление статора определяется по формуле:

Коэффициент рассеяния рассчитывается по формуле:

Значение главной индуктивности определяется по формуле:

Соответственно, значение индуктивности статора определяется по формуле:

Расчётное значение постоянной времени статора T_s и соответственно расчётное значение постоянной времени ротора T_r рассчитывается по формулам:

В процессе исследований были рассчитаны параметры исследуемого двигателя по выше приведённой методике, а также определены аналогичные параметры в результате автоматической настройки. Результаты этих исследований приведены в таблице 1.

Табл. 1. Сравнение расчётных и измеренных параметров асинхронного двигателя

Таким образом, можно сделать вывод, что расчётные и измеренные параметры конкретного асинхронного двигателя существенно отличаются друг от друга. Это обуславливает необходимость применения программной самонастройки.

В приводах поколения SINAMICS заложены следующие способы регулирования скорости:

• U/f с линейной характеристикой;
• U/f с контролем тока намагничивания (FCC);
• U/f с программируемой зависимостью;
• U/f ² с квадратичной зависимостью;
• U/f для текстильных машин;
• U/f с FCC для текстильных машин;
• U/f с независимым заданием напряжения;
• векторное регулирование без датчиков скорости;
• векторное регулирование с датчиком скорости;
• бездатчиковое регулирование момента;
• датчиковое регулирование момента.

В данной работе приводится анализ наиболее распространённых систем регулирования:

• U/f с линейной зависимостью;
• U/f с FCC управлением;
• векторное регулирование без датчика скорости.

В качестве критериев регулирования принято:

• максимальный диапазон регулирования D = ω_max/ω_min при номинальном моменте нагрузки;
• максимальный момент (момент вблизи момента опрокидывания);
• ток статора двигателя I_S.

Исследования проводились для частот f = 50 Гц, f = 25 Гц, f = 10 Гц, f = 5 Гц, f = 1 Гц.

На рис. 3 приведены механические характеристики привода ω_m = f(M_m) для различных систем управления/регулирования и различных значений частоты статора.

На рис. 4 приведены зависимости тока статора от момента двигателя I_S = f(M_m) для различных систем управления/регулирования и различных значений частоты статора.

Приведённые зависимости ω_m = f(M_m) и I_S = f(M_m) однозначно свидетельствуют о преимуществе применения векторного регулирования в широком диапазоне изменения скорости.

Выводы

Анализ зависимостей ω_m = f(M_m) и I_S = f(M_m) частотно-регулируемого привода показывает, что при выборе способа регулирования/управления скорости предпочтение следует отдать векторному регулированию без датчика скорости, как с точки зрения стабильности механической характеристики, так и с точки зрения минимума потребления тока из сети.

Учитывая, что параметры конкретного асинхронного короткозамкнутого двигателя существенно отличаются от аналогичных параметров, рассчитанных по табличным данным, то при сравнении следует выбирать привода только с автоматической идентификацией параметров двигателя.

Список использованной литературы

1. Hasse K. Zur Dynamik drehzahlgeregelter Antriebe mit stromrichter-gespeisten Asynchron Maschinen. Dissertation, TH Darmstadt, 1969.
2. Blaschke F. Das Verfahren der Feldorientirung zur Regelung der Drehfeldmaschine, Dissertation, TU Braunschweig, 1974.
3. Leonard W. Regelung elektrischer Antriebe, Springer Verlag. – 1999.
4. Blaschke F. Das Prinzip der Feldorienierung, die Grundlage fur die Transvektor-Regelung von Drehfeldmaschinen. Siemens-Z. 45 (1971), s. 757–760.
5. Рудаков В. В., Столяров И. М., Дартау В. А. Асинхронные электропривода с векторным управлением. – Л.: Энергоатом – издат, 1987.
6. Tyshakin O., Riefenstahl U. Zweistufiger ruckspeisefahiger Direktumrichter fur Drehstromantriebe. – SPS/IPC/DRIVES200, Nurnberg. – 2004.