Спосіб пуску синхронного двигуна

Реферат: Винахід належить до електротехніки і може бути використаний для пуску синхронних електричних машин, переважно потужних, значно завантажених синхронних двигунів. Удосконалення способу пуску синхронного двигуна здійснюють за рахунок усунення гальмівних моментів, які утворюються обмоткою збудження при частоті обертання ротора понад півсинхронної, що виключає можливість затримання ротора у зоні півсинхронної частоти обертання ротора та забезпечує підвищення надійності пуску двигуна. Запропонований спосіб пуску синхронного двигуна, при якому синхронний двигун підключають до мережі змінного струму через тиристорний перетворювач, обмотку збудження підключають до пускового резистора, подають в обмотки статора імпульси струму, величина і тривалість яких формується різницею між дійсною і заданою величинами пускового струму статора, впливом на тиристорний перетворювач, виконують заряд ємнісного накопичувана енергії від обмотки збудження через пусковий резистор, контролюють величину напруги на ємнісному накопичувачі енергії і, при досягненні на ньому напруги заданої величини, вмикають додатковий резистор, на який потім розряджають ємнісний накопичувач, причому додатковий резистор вмикають послідовно з пусковим резистором. Відповідно до винаходу контролюють частоту обертання ротора і при досягненні нею величини, близької до півсинхронної, наприклад до (0,45...0,5) 0 , вимикають ємнісний накопичувач енергії та додатковий резистор від обмотки збудження, причому опір пускового резистора зменшують, наприклад, у два рази. Ємнісний накопичувач UA 98412 C2 (12) UA 98412 C2 енергії виконують багатоступеневим, наприклад триступеневим, причому ємнісні елементи багатоступеневого накопичувача енергії вмикають послідовно один до одного. Початкову величину ємності багатоступеневого накопичувача енергії збільшують пропорційно частоті або квадрату частоти обертання ротора. UA 98412 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до електротехніки і може бути використаний для пуску синхронних електричних машин, переважно потужних, значно завантажених синхронних двигунів. Відомий спосіб пуску синхронної машини, який полягає в тому, що обмотку збудження замикають на деякий, зокрема, регульований резистор, а статорні обмотки підключають до мережі [Постников И.М., Обобщенная теория и переходные процессы электрических машин. М.: Высшая школа, 1957. - С.157]. Недолік цього способу полягає в тому, що пусковий струм статора значно перевищує номінальне значення (у 5…7 разів), викликає великі електродинамічні навантаження на обмотки статора і перегрів пускової обмотки, що обмежує кількість пусків двигуна і веде до зниження надійності пускових режимів. Відомий інший спосіб пуску синхронного двигуна від пониженої напруги через пусковий реактор із поступовим її збільшенням в міру розгону двигуна [Слодарж М.И., Режимы работы, релейная защита и автоматизация синхронных электродвигателей. - М.: Энергия, 1977. - С. 13]. Недолік цього способу полягає в неможливості пуску значно завантажених двигунів, що знижує надійність електропривода. Інший із відомих способів пуску синхронних двигунів передбачає використання перетворювача частоти з проміжним колом постійного струму в колі статора двигуна [А.с. СССР № 921006, МКИ Н02Р1/50,1982]. Недолік цього способу пуску двигуна пов'язаний із значною потужністю перетворювача частоти й ускладненням системи керування. Відомий також спосіб, реалізований в пристрої для асинхронного пуску і ресинхронізації синхронної машини, згідно з яким обмотка збудження через некерований мостовий випрямляч і дроселі вмикається на мостовий трифазний інвертор, а регулювання струму і моменту, утворюваних обмоткою збудження, здійснюється за рахунок зміни величини проти-е.р.с. інвертора, еквівалентної змінному резистору [А.с. СССР № 1480073, МКИ Н02Р1/50,1989], Недоліком способу при його реалізації є значне ускладнення силової схеми і системи керування, а істотним недоліком є значний фазовий зсув між струмом ротора і е.р.с. через явище комутації вентилів випрямляча, що збільшується на половину кута комутації вентилів випрямляча. Внаслідок цього гальмовий момент, утворюваний обмоткою збудження за один оберт ротора буде більше, ніж у відомих пристроях, що призводить до зниження середнього асинхронного моменту в режимі пуску. Крім того, енергія частоти ковзання інвертується в мережу, що живить, а не використовується для збільшення струму й електромагнітного моменту, утворюваного обмоткою збудження. Відомий інший спосіб пуску двигуна, який реалізований в пристрої для пуску синхронної машини, при якому синхронний двигун підключають до мережі змінного струму через тиристорний перетворювач із природною комутацією, подають в обмотки статора збудженої машини імпульси струму, синхронізовані з положенням ротора, причому величина і тривалість імпульсів струму формується різницею між дійсним і заданим величинами пускового струму статора [А.с. СССР № 1131002, МКИ Н02Р1/50, 1984 p.]. Недолік реалізації цього способу пуску складається в значній установленій потужності перетворювача й ускладненні пристрою через наявність датчика положення, механічно зв'язаного з ротором. Найбільш близьким по технічній суті до винаходу є спосіб пуску, при якому синхронний двигун підключають до мережі змінного струму через тиристорний перетворювач із природною комутацією, обмотку збудження підключають до пускового резистора, подають в обмотки статора імпульси струму, величина і тривалість яких формується різницею між дійсним і заданим величинами пускового струму статора, впливом на тиристорний перетворювач, виконують заряд ємнісного накопичувача енергії від обмотки збудження через пусковий резистор, контролюють величину напруги на ємнісному накопичувані, енергії і при досягненні напруги на ємнісному накопичувачі енергії заданої величини, вмикають додатковий резистор, на який потім розряджають ємнісний накопичувач, причому додатковий резистор вмикають послідовно з пусковим резистором [Патент України №41735, МКИ Н02Р1/50, 2001р]. Суттєвий недолік цього способу пуску полягає в тому, що момент, який утворюється обмоткою, збудження є рушійний та підсумовується з моментом пускової (короткозамкненої) обмотки до півсинхронної швидкості обертання ротора, а після зростання швидкості обертання ротора вище півсинхронної швидкості, момент, що утворюється обмоткою збудження є гальмівним і віднімається від моменту пускової обмотки. Це явище призводить до появи значних гальмівних моментів, можливості затримання ротора в зоні півсинхронної швидкості обертання та до зниження надійності пуску двигуна, перегрівання стрижнів пускової обмотки та виходу з ладу двигуна. 1 UA 98412 C2 5 10 15 20 25 30 35 Крім того, недоліком способу пуску синхронного двигуна при його реалізації є значні труднощі при виконанні накопичувача енергії з неперервною змінною величиною ємності в функції швидкості або квадрату швидкості обертання ротора. В основу винаходу поставлена задача удосконалення способу пуску синхронного двигуна за рахунок усунення гальмівних моментів, які утворюються обмоткою збудження при частоті обертання ротора понад півсинхронної, що виключає можливість затримання ротора у зоні півсинхронної частоти обертання ротора та забезпечує підвищення надійності пуску двигуна. Поставлена задача вирішується тим, що в способі пуску синхронного двигуна, при якому синхронний двигун підключають до мережі змінного струму через тиристорний перетворювач із природною комутацією, обмотку збудження підключають до пускового резистора, подають в обмотки статора імпульси струму, величина і тривалість яких формується різницею між дійсною і заданою величинами пускового струму статора, впливом на тиристорний перетворювач, виконують заряд ємнісного накопичувача енергії від обмотки збудження через пусковий резистор, контролюють величину напруги на ємнісному накопичувачі енергії і, при досягненні напруги на ємнісному накопичувачі енергії заданої величини, вмикають додатковий резистор, на який потім розряджають ємнісний накопичувач, причому додатковий резистор вмикають послідовно з пусковим резистором, відповідно до винаходу, контролюють частоту обертання ротора і при досягненні частотою обертання ротора величини, близькою до півсинхронної, наприклад до (0,45…0,5) 0 , вимикають ємнісний накопичувач енергії та додатковий резистор від обмотки збудження, причому опір пускового резистора зменшують, наприклад, у два рази. Крім того, поставлена задача вирішується тим, що ємнісний накопичувач енергії виконують багатоступеневим, наприклад триступеневим, причому ємнісні елементи багатоступеневого накопичувача енергії вмикають послідовно один до одного. Крім того, поставлена задача вирішується тим, що початкову величину ємності багатоступеневого накопичувача енергії збільшують пропорційно частоті обертання ротора. Крім того, поставлена задача вирішується тим, що початкову величину ємності багатоступеневого накопичувача енергії збільшують пропорційно квадрату частоти обертання ротора. Для обмеження пускового струму статора необхідно до двигуна підводити понижену напругу від тиристорного перетворювача. У результаті цього електромагнітний момент у режимі асинхронного пуску знижується пропорційно квадрату напруги, що підводиться. Збільшення електромагнітного моменту може бути досягнуте за рахунок моменту, утворюваного обмоткою збудження. Як відомо, миттєве значення електромагнітного моменту, обумовленого обмоткою збудження без урахування впливу пускової обмотки, дорівнює [Урусов И. Д., Камша М.М. Анализ некоторых способів улучшения асинхронних характеристик синхронных двигателей для обеспечения их синхронизации //Изв. АН СССР. Энергетика и транспорт, 1979. - №4.-С. 83-91]. mf  40 45 U  xad if sin  , xd (1) де U - напруга статора; xad , x d - відповідно опір взаємної індукції й індуктивний опір по подовжній осі; if - струм обмотки збудження;  - кут між векторами напруги статора і струмом обмотки збудження. Як очевидно з приведеного виразу необхідно збільшувати струм для збільшення моменту обмотки збудження. Для цього потрібно зменшити опір контуру збудження, вмиканням ємнісного накопичувача енергії. При вмиканні ємнісного накопичувана енергії опір контуру збудження по подовжній осі визначається   1 1 1 Zads     R f (K п  1) r jxad  j  x f  j  xkd  kd  s s  50       1 , При відсутності ємнісного накопичувача енергії опір контуру збудження дорівнює 2 (2) UA 98412 C2    1 1 1 Zads     jxad  x c  R f (K п  1) j  x  rkd   kd j   x f  s    s s2    5 10 15 20 25        1 , (3) де Xc - ємнісний опір накопичувача енергії на частоті мережі; s - ковзання ротора; K п кратність пускового резистора. Аналіз виразів (2) і (3) показує, що вмикання ємнісного накопичувача веде до зменшення опору, росту струму контуру збудження і моменту обмотки збудження. Оскільки опір ємнісного накопичувача збільшується при розгоні двигуна і зменшенні ковзання, тому при зростанні швидкості обертання ротора необхідно збільшити початкову ємність накопичувача енергії пропорційно швидкості обертання, а переважно пропорційно квадрату швидкості обертання. Як відомо [Вершинин П.П., Хашпер Л.Я. Применение синхронных электроприводов в металлургии.-М.: Металлургия, 1974. - С.96, рис.29], момент, який утворюється обмоткою збудження є рушійний, що веде до зростання підсумовуючого електромагнітного моменту двигуна, а після проходження півсинхронної частоти обертання ротора, стає гальмівним, тому необхідно вимикати ємнісний накопичувач енергії з контуру збудження в межах від півсинхронної до синхронної частоти обертання ротора. На фіг. 1 а, б креслення наведені осцилограми пуску синхронного двигуна відповідно до способу, що заявляється, реалізованого в пристрої і у прототипі. На фіг. 1. Осцилограми пуску синхронного двигуна: а) відповідно до способу; б) відповідно до прототипу. На фіг. 1. прийняті позначення: uf - напруга контура збудження; m - момент синхронного двигуна; iПЗК - струм пускозахисного кола; if - струм обмотки збудження; i1 - струм статора двигуна; p - частота обертання ротора. 30 35 40 45 50 Аналіз наведених осцилограм показує, що значні гальмівні моменти від обмотки збудження при півсинхронній частоті обертання призводять до затримання ротора, значним струмам статора та обмотки збудження, спрацьовуванню максимально-струмового захисту, вимиканню двигуна від мережі, що не дозволяє забезпечувати надійний пуск завантажених синхронних двигунів. Таким чином, наведеними осцилограмами доведено, що у пристрої, відповідно до винаходу, забезпечується надійний пуск завантажених синхронних двигунів. На кресленні приведена функціональна схема пристрою для реалізації пуску синхронного двигуна (фіг. 2). Пристрій містить синхронний двигун 1, статором підключений до мережі змінного струму 2 через тиристорний перетворювач 3 з обмоткою збудження замкнутої через пусковий резистор 4 на ємнісний накопичувач 5, паралельно якому включені кола, що складаються зі стабілітронів 6 і 7, тиристорів 8 і 9, діодів 10 і 11, додаткових резисторів 12 і 13. У статорні кола включені датчики струму 14, 15, 16, сигнали яких подаються на вхід трифазного мостового випрямляча 17, вихід якого підключений до резистора 18. З резистора 18 сигнал надходить через стабілітрон 19 на суматор 20, на котрий також подається сигнал із датчика струму 21. Сигнал різниці дійсного і заданого струмів статора надходить на вхід системи керування 22, виходи яких підключені до керуючих кіл тиристорів перетворювача. З ротором синхронного двигуна з'єднаний датчик швидкості обертання ротора 23, виходи якого підключені до входів силових ключів 24, 25, 26. Виходи ключів 24, 25 послідовно шунтують ємнісні елементи багатоступеневого накопичувача енергії. Виходи ключа 24 шунтують наступний ємнісний елементі і частину пускового резистора. Спосіб пуску синхронного двигуна здійснюється таким чином. Асинхронний пуск синхронного двигуна 1 починається після його підключення до мережі змінного струму 2 через тиристорний перетворювач 3 із заданими кутами керування. При цьому обмотка збудження замкнута на пусковий резистор 4 і ємнісний накопичувач енергії 5. При 3 UA 98412 C2 5 10 15 20 25 30 цьому відбувається ємнісна компенсація індуктивного опору обмотки збудження, унаслідок чого зростає амплітуда струму обмотки збудження, зменшується його фазовий зсув стосовно е.р.с. цієї обмотки і забезпечується заряд ємнісного накопичувача енергії 5 через пусковий резистор 4. Крім того, відбувається перерозподіл струмів між обмоткою збудження і пусковою обмоткою, у: результаті чого відбувається струмове розвантаження останньої. При досягненні напругою на ємнісному накопичувачі енергії заданої величини на кожному півперіоді е.р.с. обмотки збудження пробивається стабілітрон 6 (або 7 у залежності від полярності е.р.с. обмотки), що приводить до вмикання тиристора 8 (або 9) через діод 10 (або 11). При вмиканні тиристора 8 (або 9), ємнісний накопичувач 5 розряджається на резистор 12 (або 13), що надається вмиканням послідовно з пусковим резистором 4. Запасена накопичувачем енергія забезпечує підвищення електромагнітного моменту, утворюваного обмоткою збудження. Одночасно датчиками струму 14, 15, 16 визначається істинна величина струму статора, що випрямляється випрямлячем 17 і через резистор 18 і стабілітрон 19 дорівнюються у суматорі 20 із заданою величиною струму статора, що встановлюється датчиком струму 21. Сигнал різниці заданого і дійсного величин струмів надходить на вхід системи керування 22 тиристорами перетворювача 3, що встановлює необхідний кут керування для забезпечення заданої величини струму статора. При зміні полярності е.р.с. обмотки збудження цикл роботи пристрою повторюється, але з використанням елементів, приведених у дужках. При досягненні ротором частоти обертання величини, рівної (0,15…0,2) 0 сигнал датчика швидкості обертання 23 вмикає силовий ключ 24, що приводить до вимикання частини ємності накопичувача енергії 5 і її зростання. При подальшому зростанні частоти обертання до величини, рівної (0,25…0,3) 0 зростаючий сигнал датчика швидкості обертання 23, вмикає силовий ключ 25, що приводить до вмикання наступної частини ємності. При досягненні ротором частоти обертання, близької до півсинхронної, сигнал датчика швидкості обертання 23 вмикає силовий ключ 26, що приводить до вимикання частини пускового резистора 4 та ємнісного накопичувача енергії 5. Застосування способу дозволяє підвищити надійність пуску синхронного двигуна за рахунок усунення гальмівних моментів, зниження величини струму статора, збільшення моменту, утворюваного обмоткою збудження, при розвантаженні пускової обмотки шляхом перерозподілу струмів між пусковою обмоткою і обмоткою збудження. Крім того, спосіб дозволяє робити необхідне число пусків без істотного перегріву синхронного двигуна. 35 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 40 45 50 55 1. Спосіб пуску синхронного двигуна, при якому синхронний двигун підключають до мережі змінного струму через тиристорний перетворювач, обмотку збудження підключають до пускового резистора, подають в обмотки статора імпульси струму, величина і тривалість яких формується різницею між дійсною і заданою величинами пускового струму статора, впливом на тиристорний перетворювач виконують заряд ємнісного накопичувача енергії від обмотки збудження через пусковий резистор, контролюють величину напруги на ємнісному накопичувачі енергії і, при досягненні на ньому напруги заданої величини, вмикають додатковий резистор, на який потім розряджають ємнісний накопичувач, який відрізняється тим, що контролюють частоту обертання ротора і при досягненні нею величини, близької до напівсинхронної, наприклад до (0,45...0,5) 0 , від'єднують ємнісний накопичувач енергії та додатковий резистор від обмотки збудження, при цьому опір пускового резистора зменшують, наприклад, в два рази. 2. Спосіб пуску за п. 1, який відрізняється тим, що ємнісний накопичувач енергії виконують багатоступеневим, наприклад триступеневим, з'єднуючи ємнісні елементи багатоступеневого накопичувача енергії послідовно. 3. Спосіб пуску за п. 1, 2, який відрізняється тим, що початкову величину ємності багатоступеневого накопичувача енергії збільшують пропорційно частоті обертання ротора. 4. Спосіб пуску за п. 1, 2, який відрізняється тим, що початкову величину ємності багатоступеневого накопичувача енергії збільшують пропорційно квадрату частоти обертання ротора. 4 UA 98412 C2 5 UA 98412 C2 Комп’ютерна верстка Л. Ціхановська Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 6