Мал. 4.1.1. Схема електропривода з електромеханічним перетворювачем частоти
На мал. 4.1.1 Наведена схема вентильно – електромашинного перетворювача частоти, в якому регулювання швидкості синхронного генератора відувається по системі ТП – Д. Тут замість електромашинного агрегата, який виробляє регулюєму напругу постійного струму, використаний більш економічний тиристорний перетворювач. Але і в цьому випадку перетворювач частоти містить три ступені перетворення енергії, із них дві – електромеханічного перетворення. Схема безпосереднього регулювання швидкості по системі ТП – Д простіше і дешевше, тому використання системи ПЧ – АД може мати місце лише тоді, коли двигун постійного струму не може бути використаний для привода виконавчого механізму по технічним умовам.
При зміні частоти необхідно регулювати напругу або струм статорної обмотки асинхронного двигуна. На мал. 4.1.1 в схемі відповідно присутні два канали: канал управління частотою (Uу.ч), який діє на швидкість синхронного генератора СД, і канал управління напругою, який діє на збудження СД (Uу.н).
Канал управління частотою має структуру системи ТП – Д (мал. 4.1.1) і володіє значною інерційністю, що обумовлена механічною інерцією перетворювального агрегата системи ПД – СГ. Канал регулювання напруги також інерційний в зв'язку з наявністю електромагнітної інерції ланцюга збудження синхронного генератора. Тому як об'єкт керування схема, представлена на мал. 4.1.1 володіє несприятливими властивостями.
Найменшим числом ступенів перетворення енергії володіють вентильні перетворювачі частоти. Вони містять ступінь перетворення змінного струму в постійний і ступінь інвертування. Ці дві ступені в самостійному вигляді присутні лише в перетворювачах частоти з ланкою постійного струму. В перетворювачах частоти з безпосереднім зв'язком функції випрямлення і інвертування суміщені в реверсивному перетворювачі постійного струму, випрямлена напруга або струм якого змінюються з потрібною частотою за допомогою системи керування перетворювачем. Як наслідок, найбільш близьким до системи ТП – Д масогабаритними показниками володіє система ПЧ – АД з перетворювачем з безпосереднім зв'язком, а система з перетворювачами, які містять ступінь постійного струму, поступається по цим показникам системі ТП – Д. Але недоліки по мірі вдосконалення вентильних перетворювачів частоти постійно скорочуються, і суттєві переваги асинхронного двигуна визначають неабияку перспективність системи ПЧ – АД.
Вентильні перетворювачі частоти можуть володіти або властивостями джерела напруги, або властивостями джерела струму. В першому випадку наряду з входом керування частотою uу.ч , перетворювач має вхід керування напругою uу.н (мал. 4.1.2 а)). У випадку інвертора струму регулювання магнітного потоку машини при регулюванні частоти здійснюється по входу керування струмом uу.т (мал. 4.1.2 б)).
Мал. 4.1.2. Схеми асинхронного електропривода з перетворювачами частоти (а, б) і векторна діаграма (в)
Канал керування частотою може здійснювати або дискретне, або неперервне формування частоти напруги і струму. При неперервному формуванні синусоїдальної напруги чи струму заданої частоти його можна вважати практично безінерційним. Канал керування напругою або струмом діє на тиристорний перетворювач і його швидкодія може оцінюватись швидкодією цього керованого перетворювача.
При такому керуванні напруга в схемі на мал.. або струмом в схемі на мал. , яке забезпечує постійне потокозчеплення , або при постійності або в межах значень абсолютного ковзання рівняння механічної характеристики двигуна має вигляд:
(4.1.1)
Мал. 4.1.3. Структурна схема лінеаризованої системи ПЧ - АД
В системі ПЧ – АД (мал. 4.1.3):
(4.1.2)
Доповнивши ці рівняння рівнянням руху двигуна електропривода, отримаємо систему рівнянь, якій відповідає наведена на мал.. система ПЧ – АД.
Параметри і в цій структурі повинні відповідати потрібному режиму роботи електромеханічного перетворювача: , або .
Динамічні властивості системи ПЧ – АД як об'єкта керування менш сприятливі, ніж динамічні властивості регулюємих електроприводів постійного струму, в зв'язку з відсутністю незалежного каналу регулювання потоку, аналогічно обмотці збудження двигуна з незалежним збудженням. Так при живленні від джерела напруги потокозчеплення , , повинні залежати від напруги U1, частоти f1 та абсолютного ковзання sа.
Для підтримання потоку на заданому рівні при цих умовах необхідне регулювання його або по відключенню, або по принципу компенсації. В останньому випадку керування напругою uу.н або струмом uу.т реалізується на основі відомого взаємозв'язку між , , та керуючими діями U1 або І1 та факторами f1 і sа.
Взаємозв'язок U1 і можна визначити за допомогою рівнянь електричної рівноваги, записаних у векторній формі для статичного режима в осях х, у і представити у вигляді:
(4.1.3)
Дана залежність дозволяє для поточних значень частоти в абсолютного ковзання визначити значення напруги U1, які в статичному режимі роботи відповідають умові . Вона використовується для формування структури функціонального перетворювача, який керує напругою перетворювача частоти в процесі роботи електропривода.
В динамічних режимах зміна момента двигуна відповідає зміні кута між вектором напруги або струму статора і вектором намагнічуючого струму машини . При незмінній фазі вектора (або при живленні від джерела струму) зміна вказаного кута реалізується за рахунок переміщень ротора, і внаслідок механічної інерції виникають невідповідності, які порушують вираз . Зміна основного потоку машини викликає появу електромагнітної інерції, і динамічні властивості електропривода як об'єкта керування суттєво погіршуються.
Для визначення необхідних для такого керування кількісних зв'язків запишемо рівняння механічної характеристики в осях х, у:
(4.1.4)
Рівняння потокозчеплення ротора:
(4.1.5)
Поставивши за мету підтримувати постійним потокозчепленнч ротора , сумістимо його з віссю х, при цьому , і із рівнянь потокозчеплення отримаємо:
(4.1.6)
Підставляючи ці співвідношення і значення у рівняння механічної характеристики, отримаємо:
(4.1.7)
Звідси:
(4.1.8)
Векторна діаграма, яка відповідає цим співвідношенням наведена на мал. 4.1. 2 в). Вона показує, що складова струму статора і1х є намагнічуючим струмом і при , . Складова являє собою активний струм, якому при пропорційний момент двигуна. За допомогою векторної діаграми визначимо шукані співвідношення, які дозволяють забезпечити в динамічних процесах:
(4.1.9)
Тобто при частотно – струмовому керуванні електроприводом система керування перетворювачем повинна забезпечувати можливість формування першої гармоніки струму статора для підтримання :
(4.1.10)
Тому показаний на мал. 4.1.2 б) інвертор струму ПЧ оснащений крім входів керування амплітудою uу.т і частотою uу.ч також входом керування фазою струму uу.ф. Рівняння механічної характеристики при :
(4.1.11)
де .
При ідеальному підтримуванні електромагнітна постійна Тэ в структурі на мал. 4.1.3 дорівнює нулю. Але практично в зв'язку з неточностями компенсації можливі прояви електромагнітної інерції треба враховувати малу некомпенсовану постійну Тэ.
На увагу заслуговують також такі закони керування, які забезпечують зниження втрат енергії, що виділяється в двигуні. Зокрема керування близьке до оптимального по критерію мінімума втрат, здійснюється при підтримуванні абсолютного ковзання, яке рівне критичному при всіх навантаженнях . Цій умові при кожному моменті відповідає найменше значення струму статора.
При використанні такого керування слід враховувати, що при зменшенні навантаження від Мном до 0 зниження втрат досягається за рахунок струму намагнічування, тобто потоку машини. А це означає, що при керуванні при основний потік змінюється в широких межах, що призводить до сильного впливу електромагнвтної інерції, який суттєво знижує швидкодію при регулюванні координат.
ККД системи ПЧ – АД з вентильним перетворювачем дещо нище, якщо є ланка постійного струму, так як при цьому перетворення напруги і струму відбувається двічі.
Коефіцієнт потужності в цій системі близький до значення коефіцієнта потужності в системі ТП – Д, якщо в якості ланки постійного струму використати тиристорний перетворювач.
4.2 Особливості енергетики вентильних електроприводів
Для регулюємих електроприводів найбільш загальним і ефективним шляхом вирішення проблеми енергозбереження на даному етапі є використання вентильних перетворювачів. При використанні сучасних напівпровідникових пристроїв – тиристорів, транзисторів в різноманітних виконаннях, ККД перетворювачів достатньо великий. Так для тиристорного перетворювача з m – фазною схемою випрямлення, в якій на інтервалі провідності обтікаються струмом n послідовно увімкнених вентилів його можна оцінити за допомогою співвідношення:
(4.2.1)
де - ККД силового трансформатора, який забезпечує потенціальну розв'язку силових ланцюгів електропривода та обмеження струмів короткого замикання при пробоях тиристорів. - падіння напруги на вентилі; - номінальна вихідна напруга перетворювача.
Якщо з достатнім запасом прийняти , то для мостової схеми перетворювача (n=2) при U1=380 В і Uт.п.ном=440 В ККД керованого випрямляча складе:
Те ж значення отримаємо і для перетворювача з нульовою схемою випрямлення (n=1), Але при тій же напрузі живлення номінальна напруга перетворювача в 2 рази менша. Для трансформаторів 10 – 1000 кВт значення ККД лежать в межах 0,95 – 0,98, тобто:
Доцільно співставити з електромашинним перетворювальним агрегатом для системи генератор – двигун – його ККД при потужності 1000 кВТ складе:
Таким чином, в цьому випадку заміна системи генератор – двигун системою тиристорний перетворювач – двигун дозволяє економити близько 7% споживаної енергії і знизити втрати в перетворювальному агрегаті приблизно в 3 рази. Це суттєве підвищення енергетичної ефективності електропривода.
Але оцінку енергетичної ефективності вентильних електроприводів на основі обліку втрат в перетворювальному агрегаті необхідно доповнити оцінкою негативних властивостей вентильних електроприводів, пов'язаних з дискретним принципом перетворення і регулювання напруги перетворювачів. Ці особливості реалізуються в двох головних напрямках – всередині електропривода в результаті впливу форми струмів і напруг, які формує перетворювач, на роботу двигуна і в системі електропостачання в результаті впливу споживаних перетворювачем струмів на роботу живильної мережі.
