Устройство плавного пуска синхронного двигателя с асинхронным возбудителем

Полезная модель относится к электротехнике, в частности, к областям автоматизированного электропривода и преобразовательной техники. Устройство плавного пуска синхронного двигателя с асинхронным возбудителем, содержащее управляемый тиристорный выпрямитель с системой импульсно-фазового управления, тиристорный инвертор тока и датчик положения ротора, выходы которого подключены к управляющим входам тиристоров инвертора, m-фазная статорная обмотка синхронного двигателя подключена к питающей сети через тиристорный инвертор тока и управляемый тиристорный выпрямитель, а обмотка возбуждения - к роторной обмотке асинхронного возбудителя через диодный выпрямитель. Дополнительно в устройство введены m-фазный генератор переменного напряжения с двумя входами управления и задатчик частоты. При этом выходы генератора подключены к m-фазной статорной обмотке асинхронного возбудителя, первый вход управления соединен с управляющими цепями тиристоров инвертора тока, а второй - с задатчиком частоты. Полезная модель позволяет расширить область применения устройств плавного пуска синхронных двигателей и улучшить массогабаритные показатели асинхронного возбудителя, входящего в состав двигателя.

Полезная модель относится к электротехнике, в частности, к областям автоматизированного электропривода и преобразовательной техники.

Известны устройства плавного пуска синхронного двигателя с щеточной системой возбуждения [1, 2], содержащие управляемый тиристорный выпрямитель с системой импульсно-фазового управления, тиристорный инвертор тока, датчик положения ротора или датчик напряжения m-фазной статорной обмотки двигателя. Управляемый выпрямитель по цепи входа подключен к питающей сети, а по цепи выхода - к входу инвертора тока. Выход инвертора тока подключен к m-фазной статорной обмотке двигателя. Выходы датчика соединены с управляющими цепями тиристоров инвертора тока непосредственно или через систему импульсно-фазового управления. Роторная обмотка возбуждения синхронного двигателя подключена к источнику регулируемого постоянного тока через щеточное устройство. Данные устройства обеспечивают плавный экономичный запуск синхронных двигателей с щеточной системой возбуждения с номинальным значением вращающего момента М_{СД н} при номинальном значении токов статора I_{ст н} и ротора I_{в н}.

М _{СД н}к·I_{ст н}·I_{в н},

где, М_{СД н} - номинальный вращающий момент синхронного двигателя;

к - коэффициент;

I _{ст н} - номинальное значение тока статора;

I_{в н} - номинальное значение тока ротора.

Недостатком данных устройств является отсутствие возможности плавного экономичного пуска синхронных двигателей с бесщеточной системой возбуждения взрывозащищенного исполнения [3].

Наиболее близким по технической сущности к заявленному решению и взятым за прототип является устройство плавного пуска синхронного двигателя с асинхронным возбудителем (с бесщеточной системой возбуждения взрывозащищенного исполнения) [4], содержащее управляемый тиристорный выпрямитель с системой импульсно-фазового управления, тиристорный инвертор тока, датчик положения ротора, подключенный по цепям выхода к управляющим цепям тиристоров инвертора тока и трехфазный тиристорный регулятор напряжения. Статорная обмотка синхронного двигателя подключена к питающей сети через инвертор тока и управляемый выпрямитель, а обмотка возбуждения - к роторной обмотке асинхронного возбудителя через диодный выпрямитель. Статорная обмотка асинхронного возбудителя подключена к источнику питания через трехфазный тиристорный регулятор напряжения.

Наличие в данном устройстве трехфазного тиристорного регулятора напряжения позволяет выполнить плавный пуск синхронного двигателя с асинхронным возбудителем, безударное подключение напрямую к питающей сети и последующую работу на синхронной скорости вращения с возможностью регулирования коэффициента мощности (cos).

Недостатком прототипа является неэффективное использование асинхронного возбудителя (асинхронного двигателя с фазным ротором) при регулировании напряжения на его статорной обмотке с помощью тиристорного регулятора напряжения, а также устройства плавного пуска в целом, что ограничивает область применения устройства плавного пуска синхронного двигателя.

В процессе запуска синхронного двигателя с асинхронным возбудителем происходит изменение частоты вращения f_фр магнитного потока Ф и напряжения U_p на роторной обмотке асинхронного возбудителя, а также напряжения U_в на обмотке возбуждения синхронного двигателя в следующей известной зависимости:

f_фр=f_n±f_вр·p;

U_p=к·Ф·f_фр; ,

U_в=к_сх·U_p

где, f_фр - частота магнитного поля ротора асинхронного возбудителя;

f_н - номинальная частота напряжения на статорной обмотке;

± - знаки: знак «+» соответствует встречному направлению вращению поля ротора, а знак «-» - согласному, которое не рассматривается ввиду неработоспособности данного режима;

f _вр - частота вращения ротора;

p -число пар полюсов; например, p=1;

U_p - напряжение роторной обмотки;

к, к_сх - коэффициенты;

Ф - магнитный поток;

U_в - напряжение на обмотке возбуждения синхронного двигателя.

На номинальной частоте вращения синхронного двигателя при f_вр=f_н происходит увеличение частоты f_фр=f_н+f_вр=2f_н магнитного поля Ф ротора асинхронного возбудителя и, соответственно, напряжения U_p на роторной обмотке асинхронного возбудителя в 2 раза и напряжения на обмотке возбуждения U_в. Стабилизация напряжения U_p(U_в) и вращающего момента синхронного двигателя М_СД=к·I_ст·U _в производится за счет соответствующего регулирования (уменьшения в 2 раза) напряжения на статорной обмотке асинхронного возбудителя с помощью тиристорного регулятора и, соответственно, магнитного поля Ф:

,

где к₂ - коэффициент;

U_cт - напряжение на статорной обмотке асинхронного возбудителя.

Таким образом, асинхронный возбудитель должен быть выполнен с завышенными, как минимум в 2 раза, массогабаритными показателями магнитопровода.

В случае невыполнения данного условия устройство плавного пуска будет способно осуществить успешный запуск с неноминальным (уменьшенным) значением вращающего момента (на старте f_вр=0, ), ограничивает область его применения (М_н - номинальный вращающий момент).

Технический результат заявленного решения - расширение области применения устройства плавного пуска синхронного двигателя и улучшение массогабаритных показателей асинхронного возбудителя.

Технический результат достигается тем, что в устройство плавного пуска синхронного двигателя с асинхронным возбудителем, содержащее управляемый тиристорный выпрямитель с системой импульсно-фазового управления, тиристорный инвертор тока и датчик положения ротора, выходы которого подключены к управляющим входам тиристоров инвертора, m-фазная статорная обмотка синхронного двигателя подключена к питающей сети через инвертор тока и управляемый выпрямитель, а обмотка возбуждения - к роторной обмотке асинхронного возбудителя через диодный выпрямитель, дополнительно введены m-фазный генератор переменного напряжения с двумя входами управления и задатчик частоты, при этом выходы генератора подключены к m-фазной статорной обмотке асинхронного возбудителя, первый управляющий вход генератора соединен с управляющим цепям тиристоров инвертора тока, а второй - с задатчиком частоты.

Отличительной особенностью предлагаемой полезной модели является то, что расширение области применения устройства плавного пуска синхронных двигателей и улучшение - массогабаритных показателей асинхронного возбудителя достигается за счет введения в его состав m-фазного генератора переменного напряжения, подключения его выхода к m-фазной статорной обмотке асинхронного возбудителя, а также подключения управляющих цепей генератора к управляющим цепям инвертора тока и к задатчику частоты.

На фигуре приведена схема заявляемого устройства, где приняты следующие обозначения:

1 - синхронный двигатель;

2 - асинхронный возбудитель (асинхронный двигатель с фазным ротором без щеток);

3 - управляемый тиристорный выпрямитель УВ с системой импульсно-фазового управления СИФУ;

4 - тиристорный инвертор тока И с дросселем L во входной цепи постоянного тока;

5 - датчик положения ротора;

6 - диодный выпрямитель;

7 - m-фазный генератор переменного, регулируемого по частоте и величине, выходного напряжения с двумя входами управления I и II (например, транзисторный преобразователь частоты);

8 - задатчик частоты;

~U_n - напряжение питания управляемого выпрямителя 3;

=U_n - напряжение питания генератора 7;

I_н, I_m - величины задания выходного тока I_н и обратной связи по току I_m управляемого выпрямителя;

f_н - номинальная частота задатчика частоты 8;

f_вр - частота вращения ротора.

Предлагаемое устройство плавного пуска синхронного двигателя 1 с асинхронным возбудителем 2 содержит управляемый тиристорный выпрямитель 3 с системой импульсно-фазового управления, тиристорный инвертор тока 4, датчик положения ротора 5, выходы которого подключены к управляющим цепям тиристоров инвертора тока 4, диодный выпрямитель 6, m-фазный генератор переменного напряжения 7 с двумя входами управления I, II и задатчик частоты 8. Статорная обмотка синхронного двигателя 1 подключена к питающей сети через инвертор тока 4 и управляемый выпрямитель 3. Обмотка возбуждения синхронного двигателя 1 подключена к роторной обмотке асинхронного возбудителя 2 через диодный выпрямитель 6. Выходы m-фазного генератора переменного напряжения 7 подключены к m-фазной статорной обмотке асинхронного возбудителя 2. Вход управления I генератора 7 соединен с управляющими цепями инвертора тока 4, а вход управления II - с задатчиком частоты 8.

Работа устройства происходит следующим образом. Первоначально подаются напряжение питания на m-фазный генератор переменного напряжения 7 и сигнал задания номинального значения частоты f _н на вход управления II с выхода задатчика 8. Генератор 7 известным способом широтно-импульсной модуляции формирует на выходе, и, соответственно, на статорной обмотке асинхронного возбудителя 2, m-фазную систему синусоидальных напряжений номинального значения U_{cт. н} и частоты f_н. Статорная обмотка асинхронного возбудителя 2 создает вращающееся магнитное поле Ф, под действием которого в роторной обмотке асинхронного возбудителя 2 наводится номинальное значение напряжения U _р.н, которое через диодный выпрямитель 6 подается на обмотку возбуждения синхронного двигателя 1. Синхронный двигатель 1 номинально возбужден и готов к плавному экономичному пуску в синхронном режиме работы, который выполняется следующим образом.

На вход управляемого тиристорного выпрямителя 3 подается напряжение питающей сети. На управляющие цепи тиристоров выпрямителя 3 подаются сигналы с выходов системы импульсно-фазового управления СИФУ, которая обеспечивает, по своему назначению, регулирование выходного напряжения выпрямителя 3 с поддержанием входного тока I_н инвертора тока 4 на заданном номинальном уровне. Последнее обеспечивается за счет отрицательной обратной связи по току I_m. Управление тиристорами инвертора тока 4 производится по сигналам датчика положения ротора 5 таким образом, чтобы ток I_н, протекающий через открытые тиристоры и фазы статорной обмотки синхронного двигателя 1, создавал максимальное значение вращающего момента при взаимодействии с номинальным значением тока в обмотке возбуждения. В принципе, инвертор тока 4 с управлением по сигналам датчика положения ротора 5 выполняет функцию коллектора двигателя постоянного тока.

Под действием созданного вращающего момента объединенный ротор синхронного двигателя 1 и асинхронного возбудителя 2 начинает вращаться в заданном направлении. При этом переключение тиристоров инвертора тока 4 выполняется по сигналам датчика положения ротора 5 с частотой вращения ротора f_вр. Соответственно, на вход управления I генератора 7 поступают управляющие импульсы инвертора тока 4 с частотой f_вр. Генератор 7 выполняет регулирование частоты f_вых и величины выходного напряжения U_вых с учетом сигналов на входе управления I, а именно, по разности частот f_вых= f_н- f_вр : частоты f_н с выхода задатчика 8 и частоты f _вр импульсов инвертора. В результате генератор 7 обеспечивает постоянство частоты магнитного поля ротора f_фр асинхронного возбудителя 2:

f_фр=f_вых+f _вр=(f_н-f_вр)+f_вр=f _н=const;

где, f_вых - частота напряжения на статорной обмотке асинхронного возбудителя и, соответственно, магнитного поля относительно его статора.

При этом производится пропорциональное частоте f_вых регулирование величины выходного напряжения U_вых генератора 7 и, соответственно, напряжения статорной обмотки асинхронного возбудителя 2. В результате обеспечивается постоянство величины магнитного поля, создаваемого статорной обмоткой асинхронного возбудителя 2:

,

где, U_вых - выходное напряжение генератора.

Таким образом, обеспечивается постоянство частоты магнитного поля ротора асинхронного возбудителя f _фр и величины магнитного поля Ф вращающегося ротора асинхронного возбудителя 2 и, соответственно, номинального значения напряжения на роторной обмотке асинхронного возбудителя 2 и обмотки возбуждения синхронного двигателя 1:

U_в=к_сх ·U_p=к_сх·к·Ф·f_ф.р =к_сх·к·Ф·f_н=const.

В результате обеспечивается плавный экономичный запуск синхронного двигателя 1 с номинальным значением вращающего момента при номинальных значениях токов статора, обмотки возбуждения, тиристоров выпрямителя 3 и инвертора тока 4 в процессе изменения частоты вращения от нулевого значения до номинального.

При этом обеспечивается номинальное значение магнитного поля Ф=const асинхронного возбудителя 2, и последний имеет оптимальное массогабаритные показатели магнитопровода статора и ротора.

В целом, данное устройство может быть широко использовано для плавного пуска синхронных двигателей с номинальной нагрузкой любого типа, не только с «легкой», но и «тяжелой» с моментом трогания, близким к номинальному значению вращающего момента синхронного двигателя M_mpM_СДн.

По окончании процесса плавного пуска синхронного двигателя 1, последний, как правило, подключается напрямую к питающей сети через вспомогательный коммутационный аппарат и продолжает работу в штатном синхронном режиме работы с возможностью регулирования cos и обеспечения режима форсировки возбуждения с помощью асинхронного возбудителя 2 и генератора 7.

В принципе, данное устройство может быть использовано для плавного пуска синхронных двигателей с асинхронным возбудителем при использовании датчика напряжения статорной обмотки синхронного двигателя, выполняющего функцию датчика положения ротора [2, 5].

Источники известности

[1] Вентильный электродвигатель. Авт. свид-во СССР, 692015.

[2] Шепелин В.Ф. и др. Пусковые режимы синхронных двигателей с тяжелыми условиями пуска - Электротехника, 2006 г., 2, стр.34-40.

[3] Гамазин С.И. и др. Переходные процессы систем промышленного электроснабжения. М., МЭИ, 1991 г., стр.125-128. Синхронные двигатели типа СТДП производства «Электротяжмаш-Привод», г.Лысьва, Пермский край, Россия.

[4] Справочник по проектированию автоматизированного электропривода и систем управления технологическими процессами под ред. В.И.Круповича. М., «Энергоиздат», 1982 г., стр.143-145.

[5] Паймурзов Е.Г. Алгоритм работы бездатчикового зависимого инвертора тока в зоне низких скоростей вращения. Экспозиция Нефть Газ, 2010 г., 5/Н (11).

Устройство плавного пуска синхронного двигателя с асинхронным возбудителем, содержащее управляемый тиристорный выпрямитель с системой импульсно-фазового управления, тиристорный инвертор тока и датчик положения ротора, выходы которого подключены к управляющим цепям m-ристоров инвертора тока, при этом m-фазная статорная обмотка синхронного двигателя подключена к питающей сети через тиристорный инвертор тока и управляемый тиристорный выпрямитель, а обмотка возбуждения - к роторной обмотке асинхронного возбудителя через диодный выпрямитель, отличающееся тем, что в него введены m-фазный генератор переменного напряжения с двумя входами управления и задатчик частоты, при этом выходы генератора подключены к m-фазной статорной обмотке асинхронного возбудителя, первый вход управления генератора соединен с управляющими цепями тиристоров инвертора тока, а второй - с задатчиком частоты.