Размещено на http://www.allbest.ru

ЭЛЕКТРОПРИВОД С СИНХРОННЫМ ДВИГАТЕЛЕМ

1. СХЕМА ВКЛЮЧЕНИЯ, СТАТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И РЕЖИМЫ РАБОТЫ СИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ

Синхронные трехфазные двигатели (СД) широко применяются в электроприводах самых разнообразных рабочих машин и механизмов, что объясняется их высокими технико-экономическими показателями.

1. Синхронные двигатели имеют высокий коэффициент мощности cos, равный единице для электроприводов небольшой мощности и опережающий cos в установках большой мощности. Способность СД работать с опережающим cos и отдавать в сеть реактивную мощность позволяет улучшать режим работы и экономичность сети электроснабжения.

2. Высокий КПД современных СД, составляющий 96-98 %, что на 1-1,5 % выше КПД АД тех же габаритов и скорости.

3. Возможность регулирования перегрузочной способности СД за счет регулирования тока возбуждения и меньшая зависимость этого показателя от напряжения сети по сравнению с АД.

4. Синхронный двигатель обладает абсолютно жесткой механической характеристикой.

5. Важным преимуществом конструкции СД является большой воздушный зазор, вследствие чего его характеристики и свойства мало зависят от износа подшипников и неточности монтажа ротора.

6. Возможность их изготовления на очень большие мощности (до нескольких десятков мегаватт и более).

На рис. 5.1 приведена схема включения СД. На статоре СД, выполненном аналогично статору АД, располагается трехфазная обмотка, подключенная к сети переменного тока.

синхронный двигатель электропривод мощность



Ротор СД выполняется с двумя обмотками: обмоткой возбуждения постоянного тока и короткозамкнутой пусковой обмоткой в виде беличьей клетки. Пусковая обмотка обеспечивает механическую характеристику СД в виде одной из кривых, показанных на рис. 5.2, а. Характеристика 1 обеспечивает по сравнению с характеристикой 2 больший «входной» момент СД (M_в1>M_в2), но меньший пусковой момент (M_п1<M_п2). Выбор вида пусковой механической характеристики определяется конкретными условиями работы СД.

После вхождения СД в синхронизм его скорость при изменениях момента нагрузки на валу до некоторого максимального значения М_max остается постоянной и равной угловой скорости магнитного поля (синхронной скорости)

(5.1)

где р - число пар полюсов СД; f₁ - частота питающей сети.

Поэтому его механическая характеристика имеет вид горизонтальной прямой линии, показанной на рис. 5.2, б. Если момент нагрузки превысит значение М_max, то СД может выпасть из синхронизма.

Для определения максимального момента СД М_max, до которого сохраняется синхронная работа СД с сетью, служит угловая характеристика СД. Она отражает зависимость момента М от внутреннего угла СД , представляющего собой угол сдвига между ЭДС статора Е и напряжением сети U_ф или, что то же самое, между осью магнитного поля СД и осью его полюсов.

Получим угловую характеристику для неявнополюсного СД при пренебрежении активным сопротивлением обмотки статора (R₁=0). Векторная диаграмма для этого случая показана на рис. 5.3, а, где обозначено: x₁ - индуктивное сопротивление фазы обмотки статора; I -ток статора СД.

Подводимая к СД мощность может быть принята равной электромагнитной мощности

(5.2)

где U_ф - фазное напряжение сети; - угол сдвига между напряжением сети и током СД. Отсюда

(5.3)

Из векторной диаграммы рис. 5.3, а следует

(5.4)

Рассмотрение треугольника АВС позволяет определить, что

(5.5)

с учетом чего (5.4) запишется как

(5.6)

Подстановка (5.6) в (5.3) дает следующее выражение:

(5.7.)

где M_max=3U_фЕ/(₀x₁) - максимальный момент СД.

Из выражения (5.7) видно что момент СД представляет собой синусоидальную функцию внутреннего угла машины. Полученное выражение угловой характеристики (5.7) может быть с погрешностью примерно 10-20 % использовано и для явнополюсных СД.

Угловая характеристика СД показана на рис. 5.3, б. Максимального значения момент СД достигает при =/2. Эта величина характеризует собой перегрузочную способность СД. При больших значениях угла СД выпадает из синхронизма, а при меньших углах его работа устойчива.

Важной величиной является номинальный угол сдвига _ном, его значение равно 25-30°, которому соответствует номинальный момент M_ном. При таком значении _ном

_м=М_max/M_ном=22,5.

Синхронный двигатель может работать во всех основных энергетических режимах, а именно: двигательном и генераторном при параллельной и последовательной работе с сетью и независимо от сети. При этом режим генератора последовательно с сетью (торможение противовключением) используется редко из-за того, что перевод СД в этот режим сопровождается значительными бросками тока и требует применения сложных схем управления.

Для осуществления торможения СД чаще используется генераторный режим при работе независимо от сети переменного тока (режим динамического торможения). Для реализации этого режима обмотка статора СД отключается от сети и замыкается на дополнительный резистор R_1д, как показано на рис. 5.4, а, обмотка возбуждения продолжает питаться от источника, постоянного тока.

Механические характеристики СД в этой схеме подобны характеристикам АД при динамическом торможении. При изменении R_1д и тока возбуждения I_в получаются различные искусственные характеристики СД.

2. СИНХРОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ КАК КОМПЕНСАТОР РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ

Работа системы электроснабжения характеризуется потреблением электроприемниками реактивной мощности. Это вызывает дополнительные потери энергии в элементах системы, снижение уровня напряжения и необходимость иметь повышенную пропускную способность подстанций и распределительных сетей, что снижает экономичность работы системы. В связи с этим для улучшения показателей работы системы электроснабжения необходимо производить компенсацию реактивной мощности, что может осуществляться несколькими способами.

Один из эффективных способов компенсации реактивной мощности связан с использованием СД, который за счет регулирования тока возбуждения может осуществлять генерацию реактивной мощности в электрическую сеть. В этом случае СД работает с опережающим cos. Возможность работы СД в качестве компенсатора реактивной мощности иллюстрируют U-образные характеристики СД, приведенные на рис. 5.5. Эти характеристики показывают зависимости тока статора I₁ и его cos от тока возбуждения I_в при U=const и P=const.

Характеристики I₁(I_в) показывают, что при увеличении от нуля тока возбуждения ток статора вначале уменьшается, что происходит за счет уменьшения его реактивной составляющей. При некотором токе возбуждения она становится равной нулю, a cos=l. При дальнейшем увеличении тока возбуждения вновь появляется и увеличивается реактивная составляющая тока статора, но уже с опережающей фазой. Синхронный двигатель начинает работать генератором реактивной энергии с отдачей ее в сеть.



Характеристики рис. 5.5 позволяют выявить также зависимость компенсирующей способности СД от мощности Р на его валу. Как видно из рис. 5.5, с ростом мощности Р область генерации реактивной мощности (опережающего cos) смещается в сторону больших токов возбуждения. Другими словами, при неизменном токе возбуждения с изменением мощности на валу отдаваемая в сеть реактивная мощность также меняется.

Из сказанного следует важный вывод: если СД работает с переменной нагрузкой на валу, то для полного использования его компенсирующих свойств требуется регулирование тока возбуждения.

Следует подчеркнуть, что при использовании СД в качестве источника реактивной мощности необходимо обеспечивать повышенные токи возбуждения и увеличивать габаритную (полную) мощность СД, что не является ограничивающим фактором для такого применения СД. Покажем это следующим несложным расчетом.

Запишем отношение полной габаритной мощности S к активной мощности P

(5.8)

Пусть требуется, например, чтобы реактивная опережающая мощность составляла 40 % активной мощности, т. е. Q/P=0,4. Расчет по формуле (5.8) выявляет, что при этом отношение S/P составит 1,08, т. е. генерирование указанной реактивной мощности потребует увеличения габаритной мощности только на 8 %. Это показывает, что использование СД для компенсации реактивной мощности является выгодным.

Отдаваемая (или потребляемая при недовозбуждении) реактивная мощность СД определяется общей формулой

(5.9)

Более удобные для практических расчетов выражения можно получить с помощью векторных диаграмм СД. Для явнополюсного СД может быть получено следующее выражение, вывод которого дан в [6]:

(5.10)

где x_d и x_q - индуктивные сопротивления СД соответственно по продольной и поперечной осям.

Формулу для неявнополюсного СД можно получить из выражения (5.10), если положить в нем x_d=x_q=x₁,

(5.11)

Полученные формулы подтверждают выводы, сделанные на основании анализа характеристик рис. 5.5, а именно: с увеличением тока возбуждения и тем самым ЭДС Е растет генерируемая СД реактивная мощность, значение которой при этом зависит от нагрузки СД, определяющей угол .

При использовании СД для компенсации реактивной мощности сети энергоснабжения обычно требуется рассматривать в комплексе несколько вопросов. Одним из основных вопросов является технико-экономическое обоснование использования данного способа компенсации реактивной энергии. Как известно, кроме СД для этой цели могут использоваться также статические компенсирующие устройства (конденсаторы) и синхронные компенсаторы. Среди приемлемых вариантов экономически целесообразным будет тот, который обеспечивает минимум приведенных годовых затрат,

где K_н,э - нормативный коэффициент эффективности капитальных вложений K; С_э - эксплуатационные расходы.

Приведенные затраты, связанные с установкой средств компенсации реактивной мощности, ее генерированием и передачей, определяются [29] по формуле

(5.12)

где Q - реактивная мощность, генерируемая источником, Мвар; З₀ - постоянная составляющая затрат, не зависящая от генерируемой реактивной мощности, руб.; З_y1 - удельные затраты на 1 Мвар реактивной мощности, руб/Мвар; З_y1 - удельные затраты на 1 Мвар² генерируемой мощности, руб/Мвар².

Формулы для нахождения З₀, З_y1 и З_y2 для разных видов компенсирующих устройств, а также пример технико-экономического расчета даны в [29]. Выбор мощности компенсирующего устройства Q также должен быть обоснован и может быть выполнен с помощью полученных в [29] выражений.

Если в результате выполненных технико-экономических расчетов выявлена целесообразность использования СД для компенсации определенной реактивной мощности Q, то далее необходимо установить наиболее экономическое ее распределение между отдельными СД. Это достигается отысканием оптимального варианта возбуждения СД, участвующих в компенсации. Под оптимальным вариантом возбуждения СД обычно понимают такое распределение реактивной мощности Q между отдельными СД, при котором суммарные потери активной мощности, зависящие от выработки и распределения реактивной мощности, минимальны. В [6] для этого случая получены расчетные формулы и рассмотрены примеры их использования.

На практике распределение реактивной мощности между СД часто производят пропорционально либо их полной номинальной мощности S_ном, либо пропорционально их активной мощности Р_ном. Этот принцип, как показывают расчеты, дает потери активной мощности, близкие к минимальному значению.

Токи возбуждения отдельных СД, компенсирующих заданную для них реактивную мощность, могут быть определены по формулам [6] либо по кривым Q(I_в), снятым опытным путем.

3. ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ УПРАВЛЕНИЯ СД

Системы управления электроприводов с СД в общем случае должны обеспечивать пуск и синхронизацию СД с сетью, ресинхронизацию, регулирование скорости и торможение, регулирование тока возбуждения. С точки зрения задач управления, условий пуска и синхронизации электроприводы с СД обычно делятся [6, 16] на три класса: электроприводы с неизменной и медленно меняющейся нагрузкой, электроприводы с пульсирующей нагрузкой, электроприводы с резкопеременной нагрузкой.

Неизменная или медленно меняющаяся нагрузка характерна для электроприводов насосов и вентиляторов, газо- и воздуходувок, разрезных пил в деревообрабатывающей промышленности, компрессорных турбомашин. Мощность СД в этих электроприводах колеблется от нескольких десятков до нескольких тысяч киловатт. Синхронные двигатели СД в таких электроприводах должны иметь кратность пускового момента М_п/M_ном=0,40,6, входного момента М_вх/M_ном=0,81,2 и перегрузочную способность М_max/M_ном=1,52.

Пульсирующая нагрузка характерна для электроприводов станков-качалок в нефтедобыче, поршневых компрессоров в химической промышленности. Мощности этих электроприводов составляют от нескольких сотен до тысяч киловатт. Требования к СД этих электроприводов следующие: кратности пускового момента 0,4-1, входного момента 0,4-0,6 и перегрузочная способность 1,5-2,5. В электроприводах такого класса обычно осуществляется регулирование тока возбуждения СД.

Резкопеременная нагрузка электроприводов характерна для следующих рабочих машин и механизмов: дробилки, мельницы горнорудных предприятий, непрерывные прокатные станы, ножницы и пилы для металла, скиповые лебедки доменных печей. Мощности этих электроприводов колеблются от нескольких сотен до десятков тысяч киловатт. Требования к СД: кратность пускового момента 1,2-2, входного 1-1,5, перегрузочная способность 2,5-3,5. Для улучшения показателей работы сети электроснабжения и обеспечения устойчивости СД в электроприводах этого класса осуществляется регулирование возбуждения СД.

Эффективным средством решения целого комплекса задач, связанных с обеспечением нормальной работы самого СД и улучшением показателей работы питающей сети, является автоматическое регулирование возбуждения (АРВ). Общие задачи АРВ сводятся к следующему [6, 16]:

1. АРВ должно обеспечивать устойчивую работу СД при заданных режимах нагрузки.

2. АРВ должно способствовать поддержанию нормального (оптимального) напряжения в узле нагрузки, к которому присоединены СД, при допустимом тепловом режиме СД.

3. АРВ должно способствовать обеспечению минимума потерь энергии в СД и системе электроснабжения.

4. АРВ должно обеспечивать повышение устойчивости СД и выдачи повышенной реактивной мощности при кратковременных (до 1 мин) снижениях напряжения за счет форсировки возбуждения.

Регулирование тока возбуждения для компенсации СД реактивной мощности в системе электроснабжения было уже рассмотрено в § 5.2.

В зависимости от условий работы электропривода с СД схемы АРВ могут выполнять одну или несколько из перечисленных функций.

Автоматическое регулирование возбуждения СД может осуществляться в статических и динамических режимах по различным законам. Для статических режимов АРВ может осуществляться по одному из следующих законов [6, 16]: постоянство cos; постоянство вырабатываемой СД реактивной мощности; постоянство напряжения в узле нагрузки; постоянство cos узла нагрузки; минимум потерь энергии.

Подробно эти законы АРВ рассмотрены в [6, 16], здесь же сделаем только их общий обзор.

Закон регулирования на постоянство cos СД целесообразен для приводов средней и большой мощности с плавно изменяющейся нагрузкой при небольших колебаниях напряжения в электрической сети. Обычно целесообразно поддерживать номинальный cos СД или, при отсутствии потребности в реактивной мощности, поддерживать cos=l, что обеспечивает минимум потерь в СД и питающей сети.

Для электроприводов средней и большой мощности с резкопеременной нагрузкой на валу целесообразен закон АРВ на постоянство отдаваемой реактивной мощности.

Этот закон обеспечивает минимальные колебания напряжения на шинах подстанции, а также максимум выработки СД реактивной мощности, ограничиваемой тепловым режимом.

При значительных колебаниях напряжения в узлах нагрузки применяется закон АРВ на поддержание напряжения. Этот закон целесообразно реализовать в мощных электроприводах с плавно изменяющейся нагрузкой и имеющих резерв мощности. При этом законе должно предусматриваться ограничение тока возбуждения снизу (по условию статической устойчивости СД) и сверху (по условиям нагрева СД).

Закон АРВ на поддержание cos в узле нагрузки может обеспечить стабилизацию значения нормативного cos на шинах подстанции, когда другие электроприемники подстанции работают с переменной нагрузкой, а колебания напряжения не превосходят допустимые пределы. Этот закон также целесообразно реализовывать на базе мощных СД, работающих с плавно изменяющейся нагрузкой и имеющих резерв мощности.

В современных электроприводах с СД АРВ может осуществляться и по более сложным законам.

Задачи АРВ в динамических режимах работы электропривода заключаются в повышении динамической устойчивости СД при изменениях нагрузки на его валу и демпфировании качаний ротора. Основное требование, предъявляемое к АРВ в динамических режимах, заключается в высоком быстродействии систем АРВ. Оно достигается за счет повышения кратности форсировки тока возбуждения, использования малоинерционных элементов в системе АРВ (например, тиристорных возбудителей) или введения в закон АРВ форсирующих сигналов по производным координат.

Рассмотрим пример выполнения схемы синхронного электропривода с АРВ, разработанной во ВНИИ электроприводе [6]. Система АРВ построена по принципу подчиненного регулирования координат и предусматривает регулирование трех переменных: тока возбуждения, напряжения и реактивного тока статора. Функциональная схема представлена на рис. 5.6.

Первый и второй контуры обеспечивают регулирование тока возбуждения с помощью регулятора тока возбуждения РТВ. Сигнал на входе РТВ суммируется из сигналов задания минимального тока I_вmin, обратной связи (датчик тока возбуждения ДТВ) и задания тока возбуждения, поступающего с регулятора задания тока возбуждения РЗТВ. Выходной сигнал РТВ с помощью СИФУ воздействует на тиристорный возбудитель ТВ, изменяя соответствующим образом ток возбуждения I_в.

На входе РЗТВ (второй контур регулирования) суммируются сигналы, пропорциональные квадрату активной составляющей тока статора I_а (канал: датчик активного тока ДАТ-квадратичный преобразователь ПK-форсирующий усилитель УФ), производной активного тока (канал: ДАТ-дифференцированный преобразователь ДП), а также сигнал с регулятора реактивного тока РРТ.

Регулятор реактивного тока входит в третий контур - контур регулирования реактивного тока I_р. На его входе суммируются сигналы обратной связи (датчик реактивного тока ДРТ) и два сигнала задания - от регулятора напряжения РН и сигнала I_з,р, который соответствует оптимальному значению отдаваемой мощности.

На входе РН (четвертый контур регулирования) суммируются сигналы обратной связи по напряжению U₁ (датчик напряжения ДН) и два задающих - номинального U_з и минимального U_зmin напряжений. К РН подключен специальный узел, который при снижении напряжения в сети до 0,8-0,85 оптимального резко увеличивает коэффициент усиления РН, в результате чего обеспечивается форсировка возбуждения.

Блоки управления схемы рис. 5.6 выполнены на элементах УБСР.

4. СХЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ СД

а) Пуск и синхронизация СД

По условиям, которые могут иметь место при работе синхронного привода, различают легкий и тяжелый пуск СД. Легкий пуск СД осуществляется при малых моментах нагрузки и моментах инерции и является наиболее благоприятным в отношении синхронизации СД с сетью. Тяжелый пуск имеет место при относительно больших моментах нагрузки и инерции. В этом случае для синхронизации СД требуется значительный входной момент СД и его синхронизация с сетью усложняется.

При пуске СД используются два основных способа его возбуждения. При относительно небольших моментах нагрузки (М_с<0,4М_ном) обмотка возбуждения СД в течение всего времени пуска постоянно (глухо) подключена к источнику возбуждения - возбудителю, который в процессе пуска самовозбуждается и обеспечивает втягивание СД в синхронизм в конце пуска.

При пуске СД с относительно большими моментами нагрузки (М_с>0,4М_ном) обмотка возбуждения СД вначале замыкается через активный резистор (в качестве которого может использоваться разрядный резистор обмотки возбуждения), а при достижении СД подсинхронной скорости обмотка возбуждения подключается к возбудителю.

Кроме различных способов подключения обмотки возбуждения пуск СД может осуществляться при полном или пониженном напряжении сети. В большинстве случаев СД мощностью до нескольких сотен киловатт, а иногда и более пускаются прямым подключением, к сети. Кратность пускового тока I_п/I_ном при прямом пуске 4-5.

При пуске СД большей мощности (несколько тысяч киловатт) возникает необходимость ограничения пусковых токов, что достигается чаще всего использованием реакторов или автотрансформаторов.

Схема статорной цепи при реакторном пуске СД приведена на рис. 5.7, а. Порядок включения СД следующий. Вначале включается выключатель QF1 при отключенном выключателе QF2 и происходит пуск СД с реактором L в цепи статора. При достижении СД подсинхронной скорости включается выключатель QF2 и шунтирует реактор L, в результате чего СД оказывается подключенным на полное напряжение сети. Автоматизация пуска осуществляется обычно в функции времени. В некоторых случаях вместо реактора L применяются активные резисторы.

Схема включения СД при использовании автотрансформатора Т показана на рис. 5.7, б. При пуске вначале замыкаются выключатели QF3 и QF1 и СД оказывается включенным на пониженное напряжение. При достижении им подсинхронной скорости отключается выключатель QF3, включается QF2 и СД подключается непосредственно на выводы питающей сети.

Сопоставление двух схем рис. 5.7 ограничения пусковых токов питающей сети показывает, что при автотрансформаторном пуске этот ток снижается пропорционально квадрату отношения напряжений СД и сети (U_д/U_с)², а при реакторном - первой степени этого отношения. Тем самым автотрансформаторный способ пуска позволяет в большей степени снизить ток, потребляемый СД из сети при пуске. Вместе с тем схема рис. 5.7, б оказывается более сложной, дорогой и менее надежной по сравнению со схемой рис. 5.7, а, поэтому она на практике применяется реже.

На рис. 5.8 показан узел схемы управления, обеспечивающей прямой пуск СД низкого напряжения с глухоподключенным возбудителем. Включение СД осуществляется нажатием кнопки SB1, после чего включается линейный контактор KМ, и СД начинает разгоняться.

Сопротивление резистора R в обмотке возбуждения ОВГ возбудителя выбирается таким образом, что его самовозбуждение происходит при подсинхронной скорости, что позволяет снизить броски тока в статоре при синхронизации СД с сетью.

В схеме рис. 5.8 предусмотрено форсирование возбуждения СД при снижении напряжения сети. Для этого в схему введены реле минимального напряжения KV и контактор форсировки KМ1, контакты которого включены параллельно резистору R. При снижении напряжения сети ниже установленного уровня реле KV отключается и замыкает свой контакт в цепи контактора KМ1. Последний, сработав, шунтирует резистор R, за счет чего происходит увеличение тока возбуждения СД. При восстановлении напряжения реле KV вновь срабатывает и отключает KМ1.

б) Схема управления низковольтным СД

На рис. 5.9 приведена схема автоматического пуска и останова СД, соответствующая серийно выпускаемой станции управления тина ПН 7401. Такие схемы используются для СД мощностью от 50 до 400 кВт, имеющих номинальные напряжения статора 220, 380 или 500 В.

В состав схемы входит следующая аппаратура: контакторы ускорения KМ1, линейный KМ2, возбуждения KМ3, форсировки KМ4; реле пусковое токовое KS, включенное на выход трансформатора тока ТА, форсировки KU, времени KТ1, KТ2; резисторы пусковой R1, возбуждения R2 и разрядный R3, кнопки пуска SB1 и останова SB2; автоматические выключатели SF и QF; выпрямитель V; лампы сигнальные HL1, HL2, HL3; резисторы вспомогательные R4-R7.

Пуск СД осуществляется нажатием кнопки SB1, после чего включается контактор KМ1 и СД подключается к сети через пусковой резистор R1. Вследствие броска пускового тока сработает реле KS, которое, в свою очередь, вызовет включение реле времени KТ1 и KТ2, подготавливающих к включению цепь линейного контактора KМ2. Происходит разбег СД с введенным в цепь его обмотки возбуждения резистором R3 (контактор KМЗ отключен контактами контактора KМ2 и реле KТ2).

При снижении тока в статоре СД ниже уставки реле KS происходит его отпускание и реле времени KТ1 теряет питание. В результате этого через некоторый интервал времени, соответствующий выдержке времени этого реле, включится контактор KМ2; обеспечивая прямое подключение СД к питающей сети.

Реле времени KТ2, потеряв питание через некоторое время после отключения KТ1, с выдержкой времени осуществит включение контактора возбуждения KМ3. Контактор KМ3 зашунтирует резистор R3 в цепи обмотки возбуждения СД, что приведет к его возбуждению и втягиванию в синхронизм. Одновременно включение KМ3 приведет к отключению контактора KМ1 и реле KS.

Форсирование возбуждения СД, выполненное с помощью аппаратов KU, KМ4 и резистора R2, осуществляется по полной аналогии со схемой рис. 5.8.

В схеме рис. 5.9 предусмотрены следующие защиты: максимальная, тепловая и от работы в асинхронном режиме, осуществляемые с помощью автоматического выключателя QF; нулевая, реализуемая линейным контактором KМ2; максимальная в цепях управления, обеспечиваемая выключателем SF.

Если сеть и СД допускают прямой пуск, то узлы схемы с контактором KМ1 и резистором R1 исключаются. При небольших моментах нагрузки двигателя (M_с<0,4М_ном) может быть реализован пуск с глухоподключенным возбудителем, для чего из схемы рис. 5.9 исключаются узлы, обведенные штрихпунктирной линией, и выполняются дополнительные соединения, показанные штриховой линией.

Лампы HL1, HL2, HL3 осуществляют сигнализацию о положении контакторов KМ1-KМ4.

в) Схема управления СД с тиристорным возбуждением

Рассмотренные схемы предусматривали возбуждение СД от электромашинного возбудителя, установленного с ним на одном валу. Такой способ возбуждения характеризуется определенными недостатками, к числу которых относятся инерционность процесса регулирования тока возбуждения СД (постоянная времени возбудителей достигает нескольких десятых долей секунды), усложнение механической части привода и ее повышенные габариты и масса.

При необходимости быстрого регулирования тока возбуждения, что требуется, например, при ударном приложении нагрузки или значительном падении напряжения сети, в современных синхронных приводах применяются тиристорные возбудители (ТВ). Они позволяют резко повысить быстродействие систем регулирования возбуждения (постоянная времени ТВ составляет 0,005-0,01 с), упростить процесс автоматизации регулирования возбуждения СД. Тиристорные возбудители, кроме того, бесшумны в работе, не требуют установки специального фундамента и более просты в эксплуатации.

Недостатком ТВ является более низкий коэффициент мощности, чем у электромашинных возбудителей. Однако этот фактор не является существенным, так как мощность ТВ составляет обычно несколько процентов мощности СД, а сам СД может обеспечить повышение cos до необходимого уровня.

На рис. 5.10 приведена упрощенная схема синхронного высоковольтного электропривода с ТВ, выполненным по трехфазной нулевой схеме выпрямления. В состав схемы входят: трансформаторы Т2 питания ТВ, Т1 питания блока управления ТВ, ТА питания катушки токового реле KА; реле времени KТ1 и KТ2, промежуточное KV, инверторного режима KV1; контактор K, предназначенный для включения СД вентилятора охлаждения ТВ (на схеме не показан); выпрямитель V; разрядный резистор R_p. Коммутация силовой части схемы рис. 5.10 осуществляется масляным выключателем QF и разъединителями QS1 и QS2, а схемы управления - автоматическим выключателем QF1. На схеме не показаны цепи сигнализации, а блок управления тиристорным возбудителем БУТВ представлен упрощенно.

Перед пускам СД включаются разъединители QS1, QS2, выключатель QF1 и трансформатор Т2. Пуск СД осуществляется включением выключателя QF, в результате чего статор СД подключается к сети, а ТВ вследствие срабатывания контактора K, включающего двигатель вентилятора, начинает охлаждаться.

Включение аппаратов QF и KМ приведет к срабатыванию реле KТ2 и KV1, а бросок пускового тока вызовет включение реле KА и реле времени KТ1. По мере разгона СД происходит снижение тока в статоре, и при некотором его значении отключается реле, которое своим контактом разрывает цепь питания KТ1. Последнее, отсчитав свою выдержку времени, замыкает свой контакт в цепи питания реле KV и вызывает его включение. В результате срабатывания этого реле БУТВ начинает подавать управляющие импульсы на тиристоры ТВ, те откроются, в обмотку возбуждения двигателя подается ток и он втягивается в синхронизм. Реле KV, включившись, обеспечивает также питание своей катушки и катушки контактора KМ.

При отключении выключателя QF теряют питание реле KТ2 и KV1. Реле KV1 воздействует своим контактом на БУТВ, который переводит ТВ в режим инвертора, обеспечивая тем самым гашение магнитного поля двигателя. После гашения магнитного поля, время которого соответствует выдержке времени KТ2, последнее размыкает свой контакт в цепи реле KV. Отключение реле KV приведет к закрытию тиристоров ТВ и отключению двигателя вентилятора, в результате чего схема вернется в исходное положение.

Отметим, что в данной схеме БУТВ позволяет обеспечивать автоматическое регулирование тока возбуждения СД.

г) Регулирование скорости СД

Как уже отмечалось, СД применяется главным образом в электроприводе рабочих машин и механизмов, не требующих регулирования координат своего движения. Вместе с тем серийный выпуск статических ПЧ создал предпосылки для использования частотного способа регулирования скорости СД.

По своим принципам построения и структуре частотно-управляемый синхронный электропривод мало отличается от асинхронного. В то же время он имеет ряд специфических свойств, а именно, постоянство скорости независимо от момента нагрузки во всем диапазоне регулирования скорости, высокая точность синхронного движения нескольких исполнительских органов; менее резкое (по сравнению с АД) снижение перегрузочной способности привода при уменьшении напряжения сети, большие значения моментов при малых скоростях, получаемые за счет соответствующего регулирования напряжения и тока возбуждения. Свое развитие синхронный регулируемый электропривод нашел в реализации схем так называемого вентильного двигателя, который рассматривается в § 6.3.

5. ПЕРЕХОДНЫЕ ПРОЦЕССЫ В СИНХРОННОМ ЭЛЕКТРОПРИВОДЕ

Переходные процессы в синхронном электроприводе отличаются сложностью и большим многообразием, что определяется наличием не скольких магнитосвязанных обмоток, несимметрией магнитной системы, регулированием во многих режимах тока возбуждения.

В общем случае переходные процессы в синхронном электроприводе являются электромеханическими и описываются следующей системой уравнений:

(5.13)

(5.14)

(5.15)

(5.16)

(5.17)

где - напряжения, токи и сопротивление фазных обмоток: - потокосцепления этих обмоток, определяемые индуктивностью и взаимной индуктивностью обмоток и токами, по ним протекающими.

Система уравнений (5.13) описывает электромагнитные процессы в цепях статора.

Уравнение (5.14) описывает переходный процесс в обмотке возбуждения СД. Если на роторе имеются другие обмотки, например успокоительные, то добавляются уравнения этих обмоток. Уравнение (5.15) дает общее выражение для электромагнитного момента СД, который в соответствии с теорией электрических машин определяется частной производной по геометрическому углу _г=/р от общего запаса электромагнитной энергии W_эм. Электромагнитная энергия определяется полусуммой произведений потокосцеплений обмоток на их токи и находится с помощью (5.16). Для неявнополюсного СД выражение (5.15) в конечном виде для установившегося режима имеет вид (5.7). Уравнение (5.17) описывает механическое движение ротора СД. В него помимо электромагнитного (синхронизирующего) момента СД входят асинхронный момент М_ас, создаваемый пусковой обмоткой, и момент нагрузки М_с.

Система уравнений (5.13) - (5.17) позволяет анализировать все возможные виды переходных процессов, возникающих в синхронном электроприводе: пуск СД и его синхронизацию, изменение нагрузки на его валу и регулирование тока возбуждения. Обычно для упрощения анализа переходных режимов уравнения (5.13)-(5.17) преобразуются к более простым, записанным относительно новых переменных и не содержащим при них периодических коэффициентов. Наиболее распространена форма записи этих преобразованных выражений в виде уравнений Парка-Горева. Несмотря на упрощение получаемых в результате подобных преобразований уравнений, для их решения необходимо использование аналоговых или цифровых ЭВМ.

Аналитическими методами могут быть проанализированы лишь простейшие переходные процессы при принятии ряда допущений. В качестве примера рассмотрим переходный процесс в синхронном приводе, связанный с небольшими изменениями скорости и внутреннего неявнополюсного СД без учета электромагнитных переходных процессов.

Переходный процесс в этом случае относится к классу механически к и описывается уравнением (5.17). При малых изменениях скорости и угла входящие в него моменты синхронизирующей М и асинхронный M_ac могут быть представлены в следующем упрощенном виде:

(5.18)

(5.19)

где - жесткость механической характеристики СД, обусловленной пусковой обмоткой.

В результате уравнение (5.17) ротора СД при малых изменениях координат его движения принимает вид

(5.20)

Характеристическое уравнение, соответствующее (5.20), и его корни запишутся в виде

(5.21)

(5.22)

где - частота свободных колебаний СД; - механическая постоянная времени СД, определяемая асинхронной пусковой обмоткой.

Из (5.22) следует, что при (1/2) корни характеристического уравнения вещественные и отрицательные и переходный процесс имеет апериодический характер. При обратном соотношении этих параметров, т. е. при (1/2) характеристическое уравнение (5.21) имеет комплексные корни, в соответствии с чем переходные процессы имеют колебательный характер.

Частота этих затухающих колебаний определяется выражением

(5.23)

а степень успокоения колебаний характеризуется величиной =1/Т_м,ас. Чем меньше Т_м,ас, т. е. чем больше жесткость пусковой характеристики, тем быстрее затухают колебания. При =0 затухание отсутствует и СД совершает свободные колебания с частотой _св.

Общее решение уравнения (5.20) имеет вид

(5.24)

где постоянная _м,и сдвиг фазы определяется в зависимости от начальных условий для конкретного переходного процесса.

На рис. 5.11 в качестве примера показаны графики переходного процесса при вхождении СД в синхронизм, которые могут быть получены с помощью (5.24).

Размещено на Allbest.ru

...