Спосіб форсування струму збудження синхронного двигуна та пристрій для його реалізації

1 Спосіб форсування струму збудження синхронного двигуна, при якому регулюють струм обмотки збудження пропорційно обмірюваної електромагнітної потужності двигуна, контролюють струм і напругу статора і при перевищенні струмом наперед заданого значення або при короткочасному глибокому зниженні напруги в електромережі нижче допустимого рівня, знімають керуючі імпульси з мостового випрямляча, включають попередньо заряджений від незалежного джерела енергії конденсатор, зустрічною напругою зарядженого конденсатора вимикають тиристори випрямляча, розряджають конденсатор на обмотку збудження і при досягненні струмом збудження заданого значення установлюють новий кут керування тиристорами випрямляча ВІДПОВІДНО до нового режиму, подають керуючі імпульси на тиристори випрямляча і вимикають конденсатор, який відрізняється тим, що реалізують коливальний розряд конденсатора в контурі збудження за час, що дорівнює чверті періоду власних коливань контуру збудження 2 Пристрій для форсування струму збудження синхронного двигуна, що містить пускозахисний ланцюг, підключений паралельно до обмотки збудження синхронного двигуна, випрямляч з тиристорами в катодній групі і діодами в анодній групі, виходом підключений паралельно до пускозахисного ланцюга, комутуючий тиристор з керуючим ланцюгом послідовно через форсуючий конденсатор, підключений до катодів тиристорів випрямляча, датчики напруги і струму, входами зв'язані з силовими ланцюгами статора синхронного двигуна, зарядний блок увімкнений паралельно форсуючому конденсатору, блок керування випрямлячем, виходом підключений через керуючі ключі до керуючих електродів тиристорів випрямляча, а входом через датчик потужності до датчиків напруги і струму, два граничних блоки, вхід першого граничного блока з'єднаний з виходом датчика напруги, вхід другого граничного блока з'єднаний з виходом датчика струму, виходи граничних блоків підключені до блока форсування збудження, перший вихід якого зв'язаний з керуючими ключами, а другий - з керуючим ланцюгом комутуючого тиристора, який відрізняється тим, що анод комутуючого тиристора підключений до анодів випрямляча, форсуючий конденсатор зашунтований діодом, причому анод діода підключений до загальної точки форсуючого конденсатора і катода комутуючого тиристора Винахід відноситься до електротехніки і може бути використаний для утримання в синхронізмі синхронного двигуна при короткочасних глибоких зниженнях напруги в електромережі або прикладаннях значних навантажень до вала двигуна Відомий спосіб демпфірування коливань синхронного двигуна перетворювального агрегату, який полягає в тому, що при ударному прикладенню навантаження вимірюють електромагнітну потужність синхронного двигуна і потужність на його валу, визначають різницю обмірюваних значень потужностей, а регулювання струму збудження синхронного двигуна здійснюють пропорційно визначеній різниці потужностей [А с СССР №1487145, МКИ Н02Р9/14, 1989] Недолік цього способу полягає в тому, що струм збудження через електромагнітну інерційність обмотки збудження має аперіодичне запізнювання, що може призвести до втрати СТІЙКОСТІ синхронного двигуна і випаданню його із синхронізму, Відомий спосіб регулювання збудження синхронної машини, що полягає у вимірі подовжньої складової повного струму статора, формування ю (О о (О 60652 сигналу, пропорційного цій складовій, створенню зменшення коливання двигуна, оскільки додаткопохідної від цього сигналу, яку вводять зі зворотвий сигнал спрямований зустрічно з основним, то ним знаком у коло регулювання збудження машипри значних накидах навантаження на вал двигуна ни [А с №535707 СССР, МКИ Н02Р9/14, 1976] що може призвести до втрати СТІЙКОСТІ прокатного Недолік цього способу полягає в тому, що двигуна і випаданню його із синхронізму струм збудження через шерційність обмотки збуНайбільш близьким по технічній сутності до дження має аперіодичне запізнювання, стосовно винаходу є спосіб, реалізований у пристрої для напруги збудження, що може призвести до втрати керування збудженням синхронної машини, при СТІЙКОСТІ синхронної машини при короткочасних якому регулюють струм обмотки збудження проглибоких зниженнях напруги в мережі або при припорційно вимірюваній електромагнітній потужності кладанні ударного навантаження до валу двигуна двигуна, контролюють струм і напругу статора і при перевищенні струмом наперед заданого знаВідомий ІНШИЙ спосіб регулювання збудження чення або при короткочасному глибокому зниженні автономного синхронного генератора при прикланапруги в електромережі нижче припустимого рівданнях навантаження шляхом форсованого вплиня, знімають керуючі імпульси з мостового випряву на напругу збудження з визначенням моменту мляча, вмикають попередньо заряджений кондензміни навантаження що є меншим інтервалу часу, сатор від незалежного джерела енергії, зустрічною обумовленого відношенням величини початкової напругою зарядженого конденсатора вимикають зміни напруги генератора при комутації навантатиристори випрямляча, розряджають конденсатор ження до величини максимальної швидкості його на обмотку збудження, при досягненні струмом відновлення за амплітудою, яка обгинає, напризбудження заданого значення конденсатор вивоклад у 2 рази [Ас №511663 СССР, МКИ дять з контуру збудження, подають форсовану Н02Р9/16, 1976] напругу в обмотку збудження, установлюють ноНедолік цього способу полягає в тому, що вивий кут керування тиристорами збуджувача ВІДПОпереджальне форсування напруги збудження не ВІДНО до нового режиму роботи синхронного двикомпенсує шерційність обмотки збудження, що гуна, подають керуючі сигнали на випрямляч і зніпризводить до аперіодичного запізнювання струму мають форсовану напругу [Ас №1312716 СССР, відносно напруги збудження і погіршенню якості МКИ Н02Р9/12, 9/17, 1987] перехідних процесів ВІДОМІ безконтактні пристрої для форсування Недолік цього способу полягає в тому, що напруги збудження електричних машин, що місструм збудження ВІДПОВІДНИЙ до форсованої натять джерело напруги, підключене до обмотки чепруги, може значно, у більшу сторону, відрізнятися рез тиристори і діоди [А с №386473 СССР, МКИ від струму обмірюваної електромагнітної потужноН02Р9/14, 1970] сті нового режиму роботи двигуна, в результаті чого кут вильоту ротора (кут навантаження) може Недоліком пристроїв є їхня складність і велиперевищити критичне значення і синхронний двикий час досягнення рівня збудження через електгун може випасти із синхронізму Істотним недоліромагнітну шерційність обмотки збудження Тому ком способу є складність реалізації пристрою чешвидкодія процесу форсування може бути досягрез наявність групи розподільних ДІОДІВ нута шляхом збільшення напруги джерела збудження В основу винаходу поставлена задача удоскоВідомий також пристрій для форсування збуналення способу форсування струму збудження дження електричної машини, що містить обмотку синхронного двигуна за рахунок вимикання подачі збудження, розділену на секції, ключові елементи і форсуючої напруги в обмотку збудження й утриджерело напруги, у якому форсування напруги мання двигуна в синхронізмі, а також спрощення збудження забезпечується переключенням секцій технічної реалізації пристрою з послідовного на паралельне живлення, що приПоставлена задача вирішується тим, що в зводить до росту струму збудження [А с №597062 способі форсування струму збудження синхронноСССР, МКИ Н02Р9/14, 1978] го двигуна, при якому регулюють струм обмотки збудження пропорційно обмірюваній електромагніНедоліком пристрою є складність, недостатня тній потужності двигуна, контролюють струм і нашвидкодія і надійність пругу статора і при перевищенні струмом наперед Відомий також спосіб автоматичного регулюзаданого значення (напр, при накиді значного вання збудження синхронного прокатного двигуна, ударного навантаження на вал двигуна) або при який полягає в тому, що регулюють напругу збукороткочасному глибокому зниженні напруги в дження по основному параметру, вимірюють моелектромережі нижче припустимого рівня (напр , мент навантаження на валу і формують додаткопри віддалених коротких замиканнях), знімають вий сигнал керування в функції моменту навантакеруючі імпульси з випрямляча, вмикають попереження, фіксують початок збільшення навантажендньо заряджений від незалежного джерела енергії ня, дискретно зменшують додатковий сигнал до конденсатор, зустрічною напругою зарядженого заданого рівня і витримують його на час, що доріконденсатора вимикають тиристори випрямляча, внює чверті періоду коливань обертового моменту розряджають конденсатор на обмотку збудження, вала [А с №712922 СССР, МКИ Н02Р9/14, 1980] при досягненні струмом збудження заданого знаНедолік цього способу полягає в тому, що осчення подають керуючі імпульси на тиристори виновний і додатковий сигнали впливають на напрупрямляча і вимикають конденсатор, ВІДПОВІДНО ДО гу збудження, а не на струм збудження, що має винаходу роблять коливальний розряд конденсааперіодичне запізнювання стосовно прикладеної тора в контурі збудження за час, що дорівнює чвенапруги, на час рівний (3 4) сталих часу обмотки рті періоду власних коливань контуру збудження збудження У результаті цього знижується ефект 60652 Як відомо, миттєве значення електромагнітного моменту, о б у м о в л е н о г о обмоткою збудження без урахування впливу пускової обмотки, дорівнює [Урусов И Д , К а м ш а М М , Анализ некоторых способов улучшения асинхронных характеристик синхронных двигателей для обеспечения их синхронизации //Изв АН С С С Р , Энергетика и транспорт, 1979 - № 4 - С 83-91] хронного двигуна при накиді ударного навантаж е н н я на вал двигуна, рівної 0,8в о при одночасній посадці напруги в електромережі до 0 , 8 U H В І Д ПОВІДНО до способу, що заявляється, реалізованому в пристрої, і у відомих аналогах Фіг 1 Розрахункові залежності режиму форсування струму збудження синхронного двигуна а) ВІДПОВІДНО до способу, б) В І Д П О В І Д Н О Д О ВІ Д О М И Х аналогів ' X a d i f sine , (1) d де U - напруга статора, Xad, Xd - ВІДПОВІДНО опір взаємної індукції й синхронний індуктивний опір по подовжній осі, if- струм обмотки збудження, mf = x Q - кут між векторами напруги статора і струмом обмотки збудження Як видно з приведеного виразу необхідно збіл ь ш у в а т и струм для збільшення моменту обмотки збудження Д л я цього потрібно зменшити опір контуру збудження, вмиканням ємнісного накопичувана енергії, компенсувати електромагнітну інерційн і с т ь т а використовувати енергію накопичувана Струм обмотки збудження при наявності конд е н с а т о р а в режимі форсування визначається виразом [Низимов В Б У п р а в л е н и е ф о р с и р о в к о й возбуждения синхронных двигателей с компенсацией инерционности контура возбуждения//Научные т р у д ы Кременчугского политехнического института -Кременчуг - 1998 - Вып 2 - С 8789] С Р ( U + U p i n ) (2) а при відсутності конденсатора 1 l f "rf(TcfP + 1) (3) •of , T = x / r Т, c c f 2Т0' ВІДПОВІДНІ сталі часу контуру збудження і коефіцієнт демпфірування, if, Ufct), - струм обмотки збудження і ф о р с о в а н а напруга, Xpf - індуктивний опір розсіювання 0 3 , rf- активний опір 0 3 , х с - реактивний опір конденсатора на частоті мережі, U c - напруга на зарядженому конденсаторі, p=d/dt - оператор диференціювання, i|/ 3d - поздовжня с к л а д о в а потокосчеплення в зазорі синхронного двигуна Порівняльний аналіз виразів (2) і (3) показує, що наявність зарядженого конденсатора 0 3 сприяє більш інтенсивній ЗМІНІ струму в цьому контурі, оскільки в чисельнику знаходиться член, що форсує, а знаменник представлений коливальною л а н к о ю при відповідному виборі величини ємності конденсатора Крім того, сумарна напруга в контурі збудження за рахунок зарядженого конденсатора може в 5 10 рази перевищувати форсуючу напругу серійних т и р и с т о р н и х збуджувачів На фіг 1,а,б представлені розрахункові залежності режиму форсування струму збудження син На фіг 1 прийняті позначення і - струм статора двигуна, т е - електромагнітний момент двигуна, s - ковзання двигуна, if- струм контуру збудження, і с - струм розряду конденсатора Аналіз розрахункових залежностей показує, що час досягнення струму збудження ВІДПОВІДНО до заявленого способу заданого значення істотно менше, ніж у відомих аналогів і сприяє утриманню двигуна в синхронізмі На фіг 2 креслення наведена функціональна схема пристрою для реалізації с п о с о б у Пристрій для ф о р с у в а н н я струму збудження синхронного двигуна, який містить пускозахистний л а н ц ю г 1, підключений паралельно обмотці збудження 2 синхронного двигуна 3, випрямляч 4 з т и р и с т о р а м и в катодній групі і діодами в анодній групі, виходом підключений паралельно до пускозахистного л а н ц ю г а 1, комутуючий т и р и с т о р 5 з керуючим л а н ц ю г о м 6, а н о д о м підключений до анодів ДІОДІВ випрямляча 4, і послідовно через ф о р с у ю ч и й конденсатор 7, підключених до загальних катодів тиристорів випрямляча 4, датчики напруги 8 і струму 9, входами зв'язані із с и л о в и м и л а н ц ю г а м и статора синхронного двигуна 3, зарядний блок 10 і шунтуючий діод 1 1 , які підключені паралельно ф о р с у ю ч о м у конденсатору 7, блок 12 керування випрямлячем 4, виходом підключений через керуючі ключі 13 до керуючих електродів тиристорів мостового випрямляча 4, а входом через датчик потужності 14 до датчиків напруги 8 і струму 9, два граничних блоки 15 і 16, вхід граничного блоку 16 з'єднаний з виходом датчика 8 напруги, вхід граничного блоку 15 з'єднаний з виходом датчика 9 струму, виходи граничних блоків 15 і 16 підключені до блоку 17 ф о р с у в а н н я збудження, перший вихід якого зв'язаний з керуючимиключами 13, а другий - з керуючим л а н ц ю г о м 6 комутуючого т и р и с т о р а 5 Пристрій для форсування струму збудження синхронного двигуна працює так При синхронному ході двигуна 3 струм в обмотці 2 збудження визначається рівнем сигналів датчиків напруги 8, струму 9 і потужності 14, а також початковою установкою кута керування випрямлячем 4 При цьому передбачається, що струм у стат о р н о м у ланцюзі й в обмотці 2 збудження не перевищує номінальних значень щоб уникнути перегріву синхронного двигуна К о н д е н с а т о р форсування 7 заряджений від зарядного блоку 10 напругою з полярністю, що зазначена на кресленні При ударному прикладанні навантаження на вал двигуна 3 відбувається сплеск струму в статорному ланцюзі, у результаті чого на виході датчика струму 9 збільшується сигнал Якщо рівень цього сигналу перевищує рівень сигналу блоку 15, т о 8 60652 останній спрацьовує і впливає на вхід блоку 17 форсування збудження Блок 17 форсування збудження короткочасно впливає на керуючі ключі 13 і на керуючій ланцюг 6 Керуючі ключі 13 знімають імпульси керування з тиристорів катодної групи мостового випрямляча 4, а на керуючий електрод тиристора 5 подається сигнал керуючого ланцюга 6 Вмикається тиристор 5 і зустрічною напругою попередньо зарядженого конденсатора 7 примусово вимикається катодна група тиристорів випрямляча 4 Після запирання тиристорів катодної групи мостового випрямляча 4 утвориться наступний контур збудження плюсова обкладка конденсатора 7 - обмотка збудження 2 - тиристор 5 - мінусова обкладка конденсатора 7 Ємнісний опір конденсатора 7 компенсує індуктивний опір контуру збудження і форсуючий конденсатор розряджається в цьому контурі, що призводить до коливального розряду конденсатора і росту струму обмотки збудження Одночасно з ударним прикладанням навантаження до вала двигуна 3 з датчиків напруги 8 і струму 9 ВИХІДНІ сигнали надходять на вхід датчика 14 потужності, перетворений вихідний сигнал якого впливає на блок 12 керування випрямляча 4 Блок 12 формує і встановлює необхідний кут керування тиристорами випрямляча 4 ВІДПОВІДНО ДО нового режиму роботи синхронного двигуна З За час, який дорівнює чверті періоду власних коливань контуру збудження, струм досягає максимального значення, а напруга конденсатора 7 Комп'ютерна верстка М Мацело нульового, в результаті конденсатор шунтується діодом 11 і виводиться з контуру збудження Одночасно блок 17 форсування збудження першим виходом замикає керуючі ключі 13, а другим входом через керуючий ланцюг знімає сигнал з тиристора 5 Форсуючий конденсатор 7 перезаряджається, виключає тиристор 5 На керуючі електроди тиристора випрямляча 4 подаються керуючі імпульси з виходу блоку 12 через керуючі ключі 13 Вмикається катодна група пропорційно обмірюваній електромагнітній потужності При посадці напруги в живильній електромережі нижче припустимого рівня, обумовленого по виходу датчика напруги 8, спрацьовує граничний блок 16, вихід якого впливає на блок 17 форсування збудження Надалі всі операції виконуються аналогічно описаним При використанні запропонованих способу і пристрою його реалізації можливе підвищення швидкодії режимів форсування збудження в 10-15 разів у порівнянні з відомими способами і пристроями при тому самому рівні форсуючої напруги збудження перетворювача для утримання синхронного двигуна в синхронізмі при значних ударних навантаженнях тривалістю від часток до одиниць секунд, а також при зниженнях напруги в мережі, що супроводжують короткі замикання з контролем режиму форсування струму ВІДПОВІДНО ДО обмірюваної електромагнітної потужності двигуна Підписне Тираж39 прим Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, Львівська площа, 8, м Київ, МСП, 04655, Україна ДП "Український інститут промислової власності", вул Сім'ї Хохлових, 15, м Київ, 04119