Спосіб пуску синхронного двигуна та пристрій для його реалізації

Реферат: Група винаходів належить до електротехніки і може бути використана для пуску синхронних електричних машин, переважно потужних, значно завантажених, синхронних двигунів. Удосконалення способу пуску синхронного двигуна досягається за рахунок підвищення електромагнітного моменту, створюваного обмоткою збудження протягом всього часу пуску. Запропонований спосіб пуску синхронного двигуна, при якому синхронний двигун підключають до мережі змінного струму через тиристорний перетворювач, обмотку збудження підключають до послідовно з'єднаних пускового резистора та ємнісного накопичувача, подають в обмотки UA 106667 C2 (12) UA 106667 C2 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 частоту обертання ротора і при досягненні нею заданої величини, відключають ємнісний накопичувач енергії та пусковий резистор від обмотки збудження. Відповідно до винаходу, ємність накопичувача збільшують обернено пропорційно квадрату частоти ковзання ротора, а опір пускового резистора зменшують пропорційно частоті ковзання ротора, причому ємнісний накопичувач енергії виконують у вигляді ємнісних стрижнів, причому кожний із них складається з плоских шин, які розділені шаром композитного діелектрика змінної товщини по висоті, електрично з'єднаних між собою та укладених в пази полюсних наконечників. UA 106667 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Взаємопов'язана група винаходів належить до електротехніки і може бути використана 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 по мірі 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 Н02Р 1/50,1982]. 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, які утворюються 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 гальмівний момент, який утворюється обмоткою збудження за один оберт ротора буде більшим, ніж у відомих пристроях, що призводить до зниження середнього асинхронного моменту в режимі пуску. Крім того, енергія частоти ковзання інвертується в мережу живлення, а не використовується для збільшення струму й електромагнітного моменту, який утворюється обмоткою збудження. Найбільш близьким по технічній суті (прототипом) 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, роблять заряд ємнісного накопичувана 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 [Патент України № 41735, МКИ Н02Р 1/50, 2001 р]. Суттєвий недолік цього способу полягає в тому, що пусковий резистор повністю не виводиться з обмотки збудження, а це може викликати труднощі синхронізації машини з мережею. Іншим недоліком є наявність додаткових резисторів, на яких відбувається втрата потужності ковзання, тобто вона не повертається до обмотки збудження, що зменшує створюваний нею електромагнітний момент. Відомий пристрій (прототип), який містить синхронний двигун, статором підключений до мережі змінного струму, обмотка збудження через пусковий резистор замкнена на ємнісний накопичувач енергії, паралельно якому підключені шунтуючі кола, що складаються відповідно з двох резисторів і двох тиристорів, управляння якими здійснюється відповідно через стабілітрони і діоди за рівнем допустимої напруги в функції е.р.с. частоти ковзання, у статорні кола синхронного двигуна включені датчики струму, сигнали яких через трифазний мостовий випрямляч, резистор і стабілітрон підключаються на суматор, на який подається також сигнал заданого струму від датчика струму, різниця сигналів дійсного і заданого значень струмів подається на вхід системи управління тиристорами перетворювача. [Система облегченного пуска синхронного двигателя с накопителем энергии в обмотке возбуждения/ A.M. Съянов, Р.В. 1 UA 106667 C2 5 10 15 20 25 30 35 Низимов/ Проблемы создания нових машин и технологий. Научные труды КГПУ. - Кременчуг: КГПУ, 2001. - Вып. 1/2001 (10). - С. 30-33]. Суттєвий недолік цього пристрою полягає в тому, що він здатен забезпечити збільшення пускового моменту синхронного двигуна тільки в окремому діапазоні ковзання в залежності від ємності встановленого накопичувача, в ротор двигуна може затримуватися в зоні півсинхронної швидкості обертання, що знижує надійність процесу пуску. В основу першого із групи винаходів поставлена задача удосконалення способу пуску синхронного двигуна за рахунок усунення пускового резистора при півсинхронній частоті обертання ротора та використання енергії ковзання, яка отримана ємнісним накопичувачем при пуску, що поліпшує умови синхронізації та забезпечує підвищення надійності пуску двигуна. В основу другого з групи винаходів поставлена задача вдосконалення пристрою для пуску синхронного двигуна шляхом вмикання керуючих кіл послідовно з ємнісним накопичувачем та пусковим резистором, які виконані нелінійними в функції частоти ковзання, причому являють собою одне ціле, наприклад вкладені в пази полюсних наконечників ротора ємнісні стрижні, кожен з яких складається з плоских шин, розділених шаром композитного діелектрика змінної товщини по висоті, перегин яких дозволяє забезпечити зміну ємності таких стрижнів обернено пропорційно квадрату частоти ковзання, а їх опору - пропорційно частоті ковзання ротора. Перша поставлена задача вирішується тим, що в способі 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 частоту обертання ротора, відповідно до винаходу, ємність накопичувача енергії протягом всього часу пуску збільшують обернено пропорційно квадрату частоти ковзання ротора, а опір пускового резистора зменшують пропорційно частоті ковзання ротора, причому при досягненні ротором півсинхронної частоти обертання ємнісний накопичувач енергії та пусковий резистор від'єднують від обмотки збудження. 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 живлення. 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 способов улучшения асинхронных характеристик синхронных двигателей для обеспечения их синхронизации// Изв. АН СССР, Энергетика и транспорт, 1979. - №4. - С. 83-91]: mf  40 45 50 U  x ad if sin  xd (1) де U - напруга статора; x ad , x d - відповідно опір взаємної індукції й індуктивний опір по подовжень осі; if - струм обмотки збудження;  - кут між векторами напруги статора і струмом обмотки збудження. Як видно з приведеного виразу, необхідно збільшувати струм обмотки збудження для збільшення моменту від неї. Для цього потрібно зменшити індуктивний опір контуру збудження включенням ємнісного накопичувача енергії. Крім того, в асинхронному режимі незбудженого синхронного двигуна через фазовий зсув між е.р.с. і струмом обмотки збудження обертовий момент, який створюється останньою, має позитивний знак, якщо полярність е.р.с. і струму збігається, а при їх різнойменній полярності створюється гальмівний момент. Приймаючи початкову фазу е.р.с. рівною нулю отримаємо [Гольмаков Ю.И., Новиков Н.Н., Шутько В.Ф. Энергетический критерий синхронизации синхронного двигателя при асинхронном пуске// Электричество.-1983. - № 9. - С. 24-28.]: ef  Emf s0 sin s0t 55 (2) де Emf - амплітудне значення е.р.с. обмотки збудження; s 0 - фіксоване значення ковзання; t - поточний час. 2 UA 106667 C2 Струм в обмотці збудження відстає від е.р.с. на кут:  2  arctg ' s0 Td 1  kn ' Td  5 (3) xf R f - перехідна стала часу обмотки збудження; k n - кратність пускового резистора. де Тоді струм обмотки збудження: if  Imf sins0t  2  (4) де Imf - амплітудне значення струму обмотки збудження. Emf s0 Imf  Rf ' 1  kn 2  s0Td  (5) 2 10 При включенні ємнісного накопичувача енергії перехідна стала часу матиме вигляд: x  x c / s2 ' Td  f Rf 15 20 25 30 35 40 (6) де x f , x c - індуктивний опір обмотки збудження і приведене значення ємнісного опору накопичувача енергії на частоті мережі живлення. Аналіз виразів (3) і (5) показує, що при вмиканні ємнісного накопичувача збільшується амплітудне значення струму Imf та зменшується кут  2 . Крім того, доцільно зменшувати кратність додаткового резистора протягом всього часу пуску синхронного двигуна. Оскільки ємнісний опір накопичувача енергії нелінійно залежить від частоти ковзання ротора, то потрібно виконувати ємнісний накопичувач енергії таким чином, щоб ємнісний опір автоматично зменшувався в залежності від частоти ковзання ротора. Як відомо [Вольдек А.И. Электрические машины. Учебник для студентов высш. техн. учеб. заведений.-3-е изд., перераб. -Л.: Энергия, - 1978. - с. 552-553], струм високого стрижня, який розташований у феромагнітному середовищі, витісняється у напрямі повітряного зазору при частоті мережі, тобто на початку пуску працює тільки верхня частина стрижня і його робочий перетин малий, тому опір стрижня має максимальне значення. При досягненні номінальної частоти обертання ротора явище витіснення струму практично повністю зникає і струм розподіляється рівномірно по всьому перерізу стрижня. Тому в початковий момент пуску синхронного двигуна через явище витіснення струму ефективна площа ємнісного стрижня мінімальна, що визначає початкове значення ємності і пускового опору. По мірі розгону двигуна зменшується частота струму, а також витіснення струму, що призводить до збільшення ефективної площі ємнісного стрижня і величини ємності, а також зменшення опору стрижня. На Фіг. 1а, б креслення наведені розрахункові залежності пуску синхронного двигуна відповідно до способу, що заявляється, реалізованого в пристрої і у прототипі. На Фіг. 1 Розрахункові залежності пуску синхронного двигуна: а) відповідно до способу; б) відповідно до прототипу. На Фіг. 1 прийняті позначення: Me - момент синхронного двигуна; Is - струм статора двигуна; p 45 - швидкість обертання ротора. Аналіз наведених осцилограм показує, що середній електромагнітний момент синхронного двигуна відповідно до винаходу з ємнісним накопичувачем значно більший у порівнянні з прототипом, а час пуску складає 900 ел. с при часі пуску у прототипі - 1100 ел. с 3 UA 106667 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Таким чином, наведеними розрахунковими залежностями доведено, що у пристрої, відповідно до винаходу, забезпечується надійний пуск завантажених синхронних двигунів, час пуску зменшується на 18 %. Друга поставлена задача вирішується тим, що в пристрої для пуску синхронного двигуна, що містить синхронний двигун, статором підключений до мережі змінного струму через тиристорний перетворювач, з обмоткою збудження, замкненою на послідовно з'єднані ємнісний накопичувач енергії та пусковий резистор, керуючі кола, що складаються з зустрічно ввімкнених тиристорів, кожен з яких керуються за допомогою зустрічно-послідовно з'єднаних діода і стабілітрона, увімкнених між анодами тиристорів та їх керуючими електродами, датчики струму, включені у статорні кола синхронного двигуна, виходи з яких підключені до входу трифазного мостового випрямляча, вихід якого підключений до резистора, сполученого через стабілітрон з суматором, до якого також підключений блок задання, який в найпростішому випадку може являти собою потенціометр, вихід суматора підключено до входу системи керування, виходи якої підключені до керуючих електродів тиристорів перетворювача, відповідно до винаходу ємнісний накопичувач енергії та пусковий резистор виконані нелінійними у функції частоти обертання ротора та конструктивно являють собою одне ціле, керуючі кола увімкнені послідовно між обмоткою збудження та ємнісним накопичувачем з пусковим резистором. На кресленні приведена принципова 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, замкненою на послідовно з'єднані ємнісний накопичувач 6 та пусковий резистор 5, які конструктивно являють собою єдиний пристрій 4, послідовно якому включені керуючі кола 16, що складаються із тиристорів 17 і 18 стабілітронів 19 і 20, діодів 21 і 22. У статорні кола включені датчики струму 7, 8, 9, сигнали з яких подаються на вхід трифазного мостового випрямляча 10, вихід якого підключений до резистора 11. З резистора 11 сигнал надходить через стабілітрон 12 на суматор 13, на котрий також подається сигнал із блока задання 14. Сигнал різниці дійсного і заданого струмів статора надходить на вхід системи керування 15, виходи якої підключені до керуючих кіл тиристорів перетворювача 3. Застосування заявленого пристрою дозволяє підвищити надійність пуску синхронного двигуна за рахунок усунення гальмівних моментів, 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. На Фіг. 3 креслення наведено фрагмент розташування ємнісних стрижнів в полюсному наконечнику. На Фіг. 3 прийняті позначення: 23 - полюсний наконечник; 24 - шина ємнісного стрижня; 25 - композитний діелектрик; 26 - пускова (демпферна обмотка) двигуна; 27 - обмотка збудження синхронного двигуна. 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 замкнена через кола управління 16, ємнісний накопичувач енергії 6 та пусковий резистор 5. 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 6. Крім того, відбувається перерозподіл струмів між обмоткою збудження і пусковою обмоткою у результаті чого відбувається струмове розвантаження останньої. При досягненні е.р.с. обмотки збудження заданої величини на кожному півперіоді пробивається стабілітрон 19 (або 20 у залежності від полярності е.р.с. обмотки), що призводить до вмикання тиристора 17 (або 18) через діод 21 (або 22). При вмиканні тиристора 17 (або 18), ємнісний накопичувач 6 з пусковим резистором 5 відключається від обмотки збудження. Запасена накопичувачем енергія забезпечує підвищення електромагнітного моменту, утворюваного обмоткою збудження. Одночасно датчиками струму 7, 8, 9 визначається дійсна величина струму статора, вона випрямляється випрямлячем 10 і через резистор 11 і стабілітрон 12 порівнюється у суматорі 13 із заданою величиною струму статора, що встановлюється блоком задання 14. Сигнал різниці заданої і дійсної величин 4 UA 106667 C2 5 10 струмів надходить на вхід системи керування 15 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. В початковий момент пуску через явище витіснення струму у шинах ємнісного стрижня ефективна площа останнього мінімальна, що визначає початкове значення ємності накопичувача 6, а опір пускового резистора 5 має максимальне значення. В процесі розгону синхронного двигуна частота струму, наведеного в роторі, падає і відповідно зменшується ефект його витіснення, що веде до збільшення ефективної площі ємнісного стержня і величини ємності накопичувача енергії, а також збільшення перерізу стрижня і зменшенню його опору. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 15 20 25 30 35 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 та контролюють частоту обертання ротора, який відрізняється тим, що ємність накопичувача енергії протягом всього часу пуску збільшують обернено пропорційно квадрату частоти ковзання ротора, а опір пускового резистора зменшують пропорційно частоті ковзання ротора, причому при зміні полярності напруги на ємнісному накопичувачі енергії, останній розряджають через пусковий резистор на обмотку збудження, а при досягненні ротором півсинхронної частоти обертання ємнісний накопичувач енергії та пусковий резистор від'єднують від обмотки збудження. 2. Пристрій для пуску синхронного двигуна, що містить синхронний двигун, статором підключений до мережі змінного струму через тиристорний перетворювач, з обмоткою збудження, замкненою на послідовно з'єднані ємнісний накопичувач енергії та пусковий резистор, керуючі кола, що складаються з зустрічно ввімкнених тиристорів, кожен з яких керуються за допомогою зустрічно-послідовно з'єднаних діода і стабілітрона, увімкнених між анодами тиристорів та їх керуючими електродами, датчики струму, включені у статорні кола синхронного двигуна, виходи яких підключені до входу трифазного мостового випрямляча, вихід якого підключений до резистора, сполученого через стабілітрон з суматором, до якого підключений блок задання, а вихід суматора підключено до входу системи керування, виходи якої підключені до керуючих електродів тиристорів перетворювача, який відрізняється тим, що ємнісний накопичувач енергії та пусковий резистор виконані нелінійними у функції частоти обертання ротора та конструктивно являють собою одне ціле, керуючі кола увімкнені послідовно між обмоткою збудження та ємнісним накопичувачем з пусковим резистором. 5 UA 106667 C2 6 UA 106667 C2 Комп’ютерна верстка І. Мироненко 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 7