Skalární řízení asynchronních motorů

Transkript

1 Vlastnosti pohonů s rekvenčním řízením asynchronních motorů Frekvenčním řízením střídavých motorů lze v současné době docílit téměř vlastností stejnosměrných regulačních pohonů a lze očekávat ještě další rozmach v tomto směru s ohledem na výhody střídavých motorů vůčtejnosměrným, které spočívají především v tom, že tyto stroje nemají komutátor. motorů nakrátko (a bezkroužkových synchronních motorů) odpadají běrací kroužky. Mechanická robustnost a jednoduchost konstrukce ve srovnání se stejnosměrnými motory klade menší požadavky na údržbu, (což je na příklad základní požadavek pro pohony v jaderné energetice), umožňuje vyšší mezní výkony, vyšší otáčky, použitelnost pro prostory s nebezpečím výbuchu v hornictví a v chemii a vyznačuje se malým momentem setrvačnosti. Zatímco stejnosměrné motory dovolují maximální obvodovou rychlost rotoru 0 m/s, synchronní motory s hladkou kotvou 30 m/s, asynchronní motory 00 m/s a homopolární stroje s masivním rotorem až 400 m/s. Relativně malé setrvačné rotující hmoty umožňují realizovat i dynamicky náročné pohony. Střídavé motory ve spojení s tranzistorovýmtřídači umožňují dnes realizovat otáčky do ot/min a pro malé výkony s tranzistorovýmtřídači o rekvencí 4 khz a rychlosti ot/min. Vysokootáčkové stroje se vyžadují ve zkušebnách spalovacích motorů, u obráběcích strojů, brusek, pro odstředivky, atd. Malá měrná hmotnost na jednotku výkonu a malé rozměry zvyšují v současné době přitažlivost střídavých motorů i pro trakci. Konstantní synchronní otáčky umožňují splnit požadavky na synchronní chod mnohamotorových pohonů v textilním průmyslu. Hlavní dosud uváděná nevýhoda, tj. obtížná regulace rychlosti, je přoučasném stavu moderní výkonové elektroniky a výpočetní mikroelektroniky ve světě téměř odstraněna. S vyjimkou ventilových kaskád byly zatím všechny probrané způsoby řízení rychlosti asynchronních motorů spojeny se značnými ztrátami. Nejperspektivnější způsob řízení rychlosti je současné řízení rekvence a napětí nebo proudu, které se s rozvojem tranzistorových střídačů rychle rozšiřuje. Řízením rekvence se mění synchronní rychlost motoru ω 0 = π/p p. Indukované napětí statoru je úměrné rekvenci a toku. i = 4.44 N Φ m. = konst. Φ m. V prvém přiblížení zanedbáme úbytky napětí na statorové impedanci. Zmenšení rekvence vede při konstantním napětí k vzrůstu toku Φ m, k nasycení stroje a zvětšení magnetizačního proudu I µ, tedy ke zhoršení energetických ukazatelů, příp. k nadměrnému oteplení. Zvětšení rekvence při konstantním napětí, vede ke zmenšení magnetického toku a přtálém momentu na hřídeli motoru M=K Φ m I cosϕ způsobí vzrůst rotorového proudu, nadměrné oteplení vinutí a nedostatečné využití magnetického obvodu. Sníží se rovněž maximální moment M max. Z uvedeného rozboru vyplývá nutnost současné regulace rekvence a napětí nebo proudu v závislosti na zatížení. Rozsah řízení bývá : 5 až : 0 pod základní rychlost ω 0 a ; až :4 nad ω 0. speciálně konstruovaných strojů se horní hranice rychlosti může mnohonásobně zvýšit proti uvedeným údajům, spodní hranici můžeme snížit automatickou regulací rychlosti. Regulace otáček asynchronního motoru skalární řízení Skalární řízení postačuje pro dynamicky nenáročné pohony, které často pracují v ustáleném stavu. Je založeno na dvou předpokladech: a) motor je popsán rovnicemi v ustáleném stavu (jsou zjednodušené) b) magnetický tok statoru Ψ s je konstantní

2 Existují dva způsoby skalárního řízení: rekvenčně napěťové a rekvenčně proudové. Oba způsoby jsou podobné a vycházejí ze stejných výše uvedených předpokladů. Proto si zde uvedeme pouze rekvenčně napěťové řízení. Frekvenční a napěťové řízeni Přtálém momentu na hřídeli M = konst je nutné udržet konstantní magnetický tok Φ m, což vede k současnému řízení napětí a rekvence tak, aby platilo / = konst. Při jmenovité rekvenci je rekvenční poměr ν = / n =, v náhradním schématu na obr.. platí, že magnetizační reaktance X µ» R jx σ a také j X µ I µ > R jx σ I, takže úbytek napětí na vinutí statoru lze zanedbat. Při podstatně snížené rekvenci (ν < 0,) se však zmenšuje νx µ. a začne se uplatňovat úbytek napětí na odporu statorového vinutí R. Poměr R /(π L µ ) bude narůstat, takže je nutno řídit statorové napětí dle vztahu: = K (). K = ν. n n kde korekční aktor K R j( X ) µ X σ λ = ν ( X X ) λ n = R j µ σ () λ X X µ σ = (3) R I ν I I ν µν Obr.. Náhradní schéma AM Obr.. Závislost K = (ν) při rekvenčním řízení

3 Závislost korekčního aktoru K na rekvenčním poměru ν = / n pro různá λ je vynesena na obr.. V náhradním schématu asynchronního motoru se tedy při rekvenčním řízení všechny reaktance násobí ν. Mechanické charakteristiky jsou znázorněny na obr. 3.a) za předpokladu, že napětí je řízeno dle výše uvedeného vztahu (). = K (). K = ν. n n V případě, že řídíme napětí, úměrné rekvenci i pro nízké rychlosti, je vyznačená mechanická charakteristika čárkovaně. Při řízení rychlosti nad základní rychlost (ν> ) by při řízení napětí dle výše uvedeného vztahu rostl s napětím také typový výkon a proto se častěji v této oblasti užívá zeslabení magnetického pole podobně jako u stejnosměrného motoru. Toto zeslabení však nemá vliv na rychlost naprázdno (jako u DC motoru) nýbrž pouze na průběh momentu. Zpravidla se při rychlostech nad ω 0 udržuje konstantní jmenovité napětí = n. V tom případě moment motoru klesá dle vztahu M=M n /ν. Tomuto řízení v obou rozsazích odpovídají mechanická charakteristiky znázorněné na obr. 3.b). a) b) Obr. 3. Mechanické charakteristiky AM při rekvenčním řízení Nelineární závislost u s = (ω ) je díky vlivu korekčního aktoru kromě počáteční části téměř přímková. Při ω =0 je hodnota u s nenulová v důsledku úbytku napětí na statorovém odporu. Struktura skalárního rekvenčně napěťového řízení je na obr. 4. Veličiny s hvězdičkou vyjadřují žádané hodnoty. Regulátor rychlosti R Ω určuje žádanou hodnotu skluzové rekvence 3

4 ω a omezení její hodnoty zabrání nadměrnému skluzu a tím i proudu motoru. Součet této skluzové rychlosti a skutečné rychlosti otáčení snímané čidlem otáček ČΩ pak dává žádanou synchronní rychlost motoru (rychlost pole). Následuje zmíněný nelineární blok, z něhož vystupuje žádaná hodnota statorového napětí u s, která vstupuje do regulační smyčky statorového napětí s regulátorem napětí R u. Výstup z tohoto regulátoru žádaná hodnota statorového proudu je zde omezen na dovolenou hodnotu. Podřazený regulátor proudu R i chrání měnič a motor před přetížením. Regulační struktura při rekvenčním a napěťovém řízení 3 u s R u R i u s Ω Ω R Ω ω ω ČΩ M 3 Obr. 4. Struktura regulace rychlosti AM se skalárním rekvenčně napěťovým řízením Frekvenční a proudové řízeni Proudové střídače nemají ve stejnosměrném meziobvodu vyjádřené napětí nýbrž proud. V tomto případě k dosažení konstantního magnetického toku je nutno vyjít ze vztahu mezi statorovým proudem a magnetickým tokem Φ, který odvodíme pro ν = / n = ze vztahu pro statorový proud, v kterém můžeme při malých skluzových rekvencích ω = s ω zanedbat X σ, takže Dosazením za magnetizační proud I µ = Φ/ L µ, kde L µ je magnetizační indukčnost, dostaneme pro absolutní hodnotu proudu Tento vztah je nezávislý na statorové rekvenci a proměnnou veličinou je zde skluzová rekvence ω. Pro konstantní magnetický tok lze pak odvodit z tohoto vztahu závislost I =(ω ) viz obr. 5. 4

5 Obr. 5. Závislost statorového proudu na skluzové rekvenci Regulační struktura při rekvenčním a proudovém řízení Při tomto způsobu řízení se vychází z odvozené závislosttatorového proudu na skluzové rychlosti = (ω ) při konstantním magnetickém toku statoru Ψ s. Podstatná část této nelineární závislosti je opět téměř přímková. Struktura skalárního rekvenčně proudového řízení je na obr. 6. Regulátor rychlosti R Ω určuje žádanou hodnotu skluzové rekvenceω a omezení její hodnoty zabrání nadměrnému skluzu a tím i proudu motoru. Součet této skluzové rychlosti a skutečné rychlosti otáčení snímané čidlem otáček ČΩ pak dává žádanou synchronní rychlost motoru (rychlost pole), která vstupuje do měniče kmitočtu. Žádaná hodnota statorového proudu se pak určuje ve zmíněném nelineárním bloku = (ω ). Výstup z tohoto bloku žádaná hodnota statorového proudu je zde omezena na dovolenou hodnotu. Podřazený regulátor proudu R i chrání měnič a motor před přetížením. 3 R i Ω Ω R Ω ω ω ČΩ M 3 Obr. 6. Struktura regulace rychlosti asynchronního motoru se skalárním rekvenčně proudovým řízením 5