Влияние параметров АД и ПЧ на устойчивость работы асинхронного ЭП

Работа асинхронного двигателя при питании от полупроводникового преобразователя имеет определенные отличия по сравнению с работой его от общепромышленной сети бесконечно большой мощности, напряжение которой симметрично по фазам и синусоидально по форме.

В основе этих отличий лежат следующие факторы:

- дискретность работы вентилей преобразователя;

- конечное значение внутреннего сопротивления преобразователя;

- наличие реактивных элементов в схемах преобразователей.

Дискретность работы вентилей преобразователя приводит к появлению высших гармоник в кривой выходного напряжения преобразователя, а для ряда схем преобразователей частоты – к появлению субгармоник и постоянной составляющей в кривой этого напряжения.

Кроме того, перечисленные выше факторы оказывают существенное влияние на устойчивость работы асинхронного двигателя [9].

Гармонический состав выходного напряжения полупроводниковых преобразователей частоты не одинаков и во многом определяется видом преобразователя, алгоритмом переключения вентилей, схемой инвертора (в преобразователях со звеном постоянного тока), а в ряде случаев – величиной и характером нагрузки.

Рис.119.Формы кривыхвыходного напряжения инвертора

На рис. 119 представлены достаточно часто встречающиеся формы кривых фазных напряжений инверторов напряжения. Такие же формы кривых фазных напряжений могут быть получены при аппроксимации форм кривых фазных напряжений и ряда схем преобразователей частоты с непосредственной связью. Помимо основной гармоники фазные напряжения содержат и высшие гармоники, амплитуды и порядок которых определяются разложением соответствующих кривых напряжения в ряд Фурье.

Высшие гармоники напряжения приводят к появлению в обмотках двигателя высших гармоник тока [9]. Величину тока любой высшей гармоники можно определить по известному соотношению

где U_ν - напряжение гармоники ν-го порядка; - полное сопротивление схемы замещения асинхронного двигателя для тока гармоники ν - го порядка.

Индуктивные сопротивления намагничивающего контура и рассеяния обмоток для высших гармоник тока определяются как произведения соответствующих индуктивных сопротивлений для основной гармоники на порядок гармоники:

Активное сопротивление обмотки статора для высших гармоник принимается равным активному сопротивлению обмотки статора для основной гармоники, т.е. не учитывается вытеснение высших гармоник тока в обмотке статора:

При определении активного сопротивления обмотки ротора необходимо учитывать эффект вытеснения тока повышенной частоты:

.

Здесь знак «+» относится к гармоникам, создающим поля, вращающиеся встречно, а знак «-» - к гармоникам, создающим поля, вращающиеся согласно с полем основной гармоники.

Дополнительные потери асинхронного двигателя от высших гармоник тока и напряжения определяют по следующим соотношениям [9]:

потери в меди

(251)

потери в стали

(252)

Наличие высших гармоник в напряжении, питающем асинхронный двигатель, приводит к снижению коэффициента мощности двигателя. Результирующий коэффициент мощности от основной и высших гармоник может быть определен как

(253)

Из представленных здесь соотношений видно, что влияние несинусоидальности напряжения, питающего асинхронный двигатель, тем меньше, чем больше величина индуктивных сопротивлений, главным образом относительно активного сопротивления Ухудшение энергетических характеристик асинхронного двигателя при питании его несинусоидальным напряжением, в гармоническом разложении которого отсутствует третья и кратные ей гармоники (рис. 118, б, в), не превышает 1…4%. При соединении фаз обмоток статора, не препятствующем протеканию токов нулевой последовательности, в случае питания двигателя напряжением, форма которого показана на рис. 119, а, ухудшение его энергетических характеристик становится значительным и достигает 8…12%.

Высшие гармоники напряжения, питающего асинхронный двигатель, являются причиной пульсаций момента и скорости вращения двигателя.

При питании трехфазного асинхронного двигателя от трехфазного источника синусоидального напряжения результирующая магнитодвижущая сила (МДС) всех трех фаз содержит основную и все нечетные, кроме третьей и кратных ей, пространственные гармоники.

Наибольшее влияние на работу АД с точки зрения глубины пульсаций результирующей МДС оказывает третья пространственная гармоника, созданная третьей временной гармоникой фазного тока. Это объясняется в первую очередь тем, что частота пульсаций такой гармоники МДС равна основной частоте, т.е. ω₁, а модуль результирующей МДС равен утроенному значению МДС одной фазы.

Высшие гармоники питающего напряжения приводят к существенным пульсациям МДС, а, следовательно, и потока в трехфазных асинхронных двигателях. Увеличение фазности машины вдвое приводит к уменьшению вдвое глубины пульсаций амплитуды результирующего вектора МДС.

Пульсации магнитного потока приводят к пульсациям момента двигателя, частота пульсаций которого определяется гармониками, наиболее сильно выраженными в гармоническом разложении кривой фазного напряжения. Так, для кривых, изображенных на рис. 119, б, в – это пятая и седьмая гармоники, которые создадут пульсации момента с частотой 6f₁.

Пульсации скорости вращения становятся ощутимыми в зоне низких значений f₁ частотного управления. С понижением f₁ эти пульсации могут выродиться в шаговый режим работы двигателя. Это обстоятельство и объясняет причину, по которой полупроводниковые преобразователи, форма кривой выходного напряжения которых соответствует кривым, изображенным на рис.119, а, б, в, или может быть аппроксимирована этими кривыми, не могут применяться в частотно-управляемых приводах с диапазоном регулирования скорости вращения более 20:1.

На устойчивость работы двигателя влияют следующие факторы:

- собственные параметры двигателя;

- взаимная связь режимов работы и параметров двигателя и преобразователя.

В качестве примера на рис. 120 приведены результаты исследования влияния параметров двигателя на границу зоны устойчивости работы при питании его от источника синусоидального напряжения. Параметры приведены в относительных единицах. На рис. 120, а показано влияние активного сопротивления обмотки статора на границу устойчивости, на рис. 120, б – влияние активного сопротивления обмотки ротора на границу устойчивости, на рис. 120, в – влияние индуктивного сопротивления контура намагничивания на границу устойчивости, на рис. 120, г – влияние индуктивного сопротивления рассеяния статора на границу устойчивости, на рис. 120, д – влияние индуктивного сопротивления рассеяния ротора на границу устойчивости, на рис. 120, е – влияние момента инерции на границу устойчивости.

Рис.120. Влияние параметров двигателя на границу зоны устойчивости

Анализируя влияние параметров АД на его устойчивость, можно видеть, что увеличение активного сопротивления статора r₁, уменьшение активного сопротивления ротора R₂, увеличение индуктивного сопротивления контура намагничивания x_μ, уменьшение индуктивных сопротивлений рассеяния обмоток статора и ротора x₁ x₂ приводят к увеличению области неустойчивой работы и сдвигают ее в сторону более высоких частот напряжения, питающего двигатель. Уменьшение μ связано с насыщением магнитной цепи. Следовательно, насыщение магнитной цепи ведет к уменьшению области неустойчивой работы двигателя. Увеличение момента инерции двигателя также приводит к уменьшению области неустойчивой работы.

Рассмотрим взаимное влияние режимов работы и параметров двигателя и преобразователя на устойчивость системы. Основной причиной возникновения колебаний в системе преобразователь – двигатель является конечное значение внутреннего сопротивления преобразователя. Это сопротивление вносится либо трансформатором, либо сглаживающим фильтром в цепи постоянного тока преобразователя.

На рис. 121 приведены результаты исследования влияния параметров фильтра цепи постоянного тока x_LФ, x_CФ, R_Ф (рис. 121, а, б, в) и индуктивного сопротивления рассеяния обмоток силового трансформатора х_т (рис. 121, г) на устойчивость системы.

Область неустойчивой работы уменьшается при снижении индук­тивности сглаживающего фильтра или при увеличении его емкости. Такое же влияние на устойчивость работы оказывает и индуктивность рассеяния обмоток трансформатора х_т. Это объясняется тем, что наличие индуктивности рассеяния обмоток трансформатора, питающего управляемый выпрямитель, приводит к "перекрытию" вентилей, т.е. к появлению угла коммутации, а, следовательно, к уменьшению среднего значения напряжения управляемого выпрямителя, что воспринимается внешней цепью как результат падения напряжения на некотором активном сопротивлении, находящемся внутри управляемого выпрямителя.

Как показано в [9], изменение параметров схемы замещения АД оказывает и в системе преобразователь частоты - АД точно такое же влияние на устойчивость работы, какое оно оказывает на устойчи­вость работы одного АД при питании его от идеального источника си­нусоидального напряжения. Это подчеркивает определяющую роль АД в возникновении автоколебаний системы преобразователь частоты - АД.

Рис.121. Влияние параметров преобразователя на границы устойчивости зоны

Влияние на устойчивость работы АД несинусоидальности питающего напряжения определяется его гармоническим составом. В случае, когда форма питающего напряжения соответствует кривым, представленным на рис. 119, б, в, т.е. когда наибольшие амплитуды имеют пятая и седьмая гармоники, область неустойчивой работы АД увеличивается незначительно. Это объясняется тем, что пятая гармоника создает тормозной момент, который и демпфирует колебания. В случае же, когда в гармоническом составе формы кривой напряжения, питающего АД, содержатся третья и кратные ей гармоники, область неустойчивой работы значительно увеличивается.

Таким образом, для обеспечения устойчивой работы АД в требуемом диапазоне изменения частоты напряжения питания и момента нагрузки можно рекомендовать согласование параметров двигателя и преобразователя, например, путем изменения емкости фильтра или активного сопротивления цепи постоянного тока и т.п. В большей степени это относится к разомкнутым системам регулирования. Для замкнутых систем регулирования устойчивость работы АД может быть обеспечена путем введения обратной связи, воздействующей на выходную частоту в функции ЭДС двигателя или производной постоянного тока на входе инвертора.

Вопросы для самоконтроля

1.Поясните какое влияние на устойчивость работы ЭП оказывают параметры АД – активные и индуктивные сопротивления обмоток статора и ротора и момент инерции ЭП.

2. Поясните какое влияние на устойчивость работы ЭП оказывают параметры фильтра цепи постоянного тока преобразователя частоты x_LФ, x_CФ, R_Ф и индуктивное сопротивление рассеяния обмоток силового трансформатора х_т.