Принцип действия частотного управления асинхронным двигателем

Чтобы понять способ частотного управления асинхронным двигателем, а конкретно его угловой скоростью, при помощи регулирования частоты подводимого напряжения, необходимо рассмотреть формулу зависимости синхронной частоты вращения двигателя от частоты подводимого напряжения f1 и числа пар полюсов двигателя рn. Из формулы видно, что скорость вращения электромагнитного поля статора прямо пропорциональна частоте питающего напряжения.

По этому принципу возможно построение широкорегулируемых электроприводов с жесткими механическими характеристиками. Важным преимуществом частотного управления асинхронным двигателем являются благоприятные энергетические показатели. Это объясняется тем, что двигатель с частотным управлением работает при малых скольжениях, что обусловливает малые потери и высокий КПД во всем диапазоне регулирования скорости. Однако при изменении частоты возникает необходимость одновременного регулирования напряжения, подводимого к статору. С изменением частоты питающего напряжения изменяется и величина потока двигателя Ф1, поэтому одновременно с изменением частоты питающего напряжения необходимо регулировать и его амплитуду.

Величина потока двигателя

Необходимость уменьшения напряжения при уменьшении частоты питающего напряжения возникает из за того, что с уменьшением сопротивления обмоток двигателя, ток намагничивания возрастает. Это приводит к тому, что магнитопровод двигателя насыщается, что ведет к перегреву двигателя. При частотном управлении двигателем, необходимо следить, чтобы скольжение двигателя было минимальным.

В настоящее время в качестве преобразователей частоты используются полупроводниковые статические преобразователи частоты. Если пренебрегать величиной активного сопротивления статора (r1=0), то, для того чтобы при частотном управлении (уменьшении частоты вниз от номинальной) сохранять критический момент постоянным, нужно величину напряжения изменять пропорционально изменению частоты.

Отношение напряжения к частоте

Механические характеристики, соответствующие частотному регулированию при выполнении соотношения показаны на рисунке сплошными линиями.

Механические характеристики

Для того чтобы реализовать принцип частотного управления двигателем, необходимо управлять напряжением и током в статоре асинхронной машины при изменении частоты питания. Поэтому в разомкнутых системах ПЧ — АД не удается достичь большого диапазона регулирования скорости, так как в сильной степени проявляется статизм (влияние изменений момента нагрузки) на механические характеристики привода. Кроме того, при снижении скорости может возникать область статической неустойчивости, которая затрудняет практическое использование таких приводов. Существует несколько алгоритмов одновременного изменения частоты и напряжения статора в статическом режиме. Чаще всего стремятся сохранить постоянной перегрузочную способность двигателя, т.е. сделать так, чтобы при всех режимах отношение максимального момента к моменту сил сопротивления оставалось постоянным:

Отношение моментов формула

Таким образом, напряжение необходимо регулировать не только в функции частоты, но и в функции нагрузки. Критический момент трехфазного АД:

момент  АД

где ω0- синхронная скорость; Rj — активное фазное сопротивление обмотки статора; XK=XJ+X’2 — индуктивное фазное сопротивление к.з. Пренебрегая величиной Ri по сравнению с Xk и учитывая, что Xk=2f1Lf, можно получить

момент  АД

Следовательно, критический момент прямо пропорционален квадрату напряжения и обратно пропорционален квадрату частоты, поэтому

момент  АД

Таким образом, для сохранения постоянной перегрузочной способности необходимо изменять напряжение пропорционально частоте и корню квадратному от момента нагрузки. Этот общий принцип регулирования может быть уточнен для конкретных режимов работы механизма.