Способ пуска синхронных машин и устройство для его осуществления

 

Использование: в преобразовательной технике и в синхронном электроприводе. Сущность: в способе пуска синхронной машины в течение периода пуска, когда обмотка возбуждения подключена к гасящему устройству, а обмотка статора - к первичной электросети, до момента достижения ротором синхронной машины подсинхронной частоты вращения контролируют величину, частоту и фазу напряжения первичной сети, величину ЭДС в роторе и фазу тока возбуждения и регулируют по фазе, величине и знаку упомянутый ток один раз за каждый полупериод относительной частоты ЭДС обмотки возбуждения ротора по закону IAR = SIRT/N в течение времени, при котором оси магнитных потоков статора и ротора находятся в квазисинхронном взаиморасположении в пределах угла нагрузки, определяемом моментом совпадения контролируемых параметров, где IAR - изменение тока ротора; S - синус угла нагрузки синхронной машины; IR - номинальный ток обмотки возбуждения ротора; N - текущая частота вращения ротора, T - частота первичной сети. В результате обеспечивается расширение технологических возможностей использования синхронной машины при одновременном снижении динамических нагрузок. 2 с. и 7 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к синхронным машинам, преобразовательной технике и синхронному электроприводу.

Известно, что синхронный двигатель (с.д.) не имеет начального пускового момента. Для пуска в ход с. д. необходимо разогнать его ротор с помощью внешнего момента до частоты вращения, близкой к синхронной (подсинхронной). Одним из главных недостатков, ограничивающих технологические возможности использования с.д. является сравнительная сложность пуска его в ход.

Известны следующие способы пуска с.д.

1. Частотный способ пуска с.д. (см. В.И.Ключев. Ограничение динамических нагрузок электропривода. М. Энергия, 1971, с. 97 161). Сущность данного способа. Если обмотку статора с.д. подключить к сети переменного тока, когда ротор его неподвижен, а по обмотке возбуждения (о.в.) проходит постоянный ток, при этом частота сети посредством внешнего устройства имеет возможность плавного изменения от сколь угодно малого значения до некоторой максимальной конечной частоты, сохраняя закон соответствия частоте f питающего напряжения U в виде U/f const, то нарастание движущего момента с.д. будет происходить с учетом приведенного момента инерции в пределах угла нагрузки, и пуск двигателя в ход будет происходить без динамической нагрузки плавно, но наличие датчика или вычислителя положения оси магнитного потока с.д. обязательно. В качестве источника энергопитания (устройства пускового) с.д. реализующего закон U/f const, как правило, служит регулируемый выпрямитель в паре с зависимым инвертором тока до момента достижения заданной требованием технологического процесса скорости ротора. Недостатки данного способа. Стоимостные и массогабаритные показатели источника питания (выпрямитель-инвертор) могут быть экономически оправданы только со стороны ограничений технологического процесса, в котором принимает участие конкретный с.д. Снижения показателей качества электроэнергии электросети пропорциональны установленной мощности синхронного привода (выпрямитель-инвертор-с. д.). Необходима, как правило, стабилизация параметров качества электросети, и она достигается подключением параллельно нагрузке (выпрямитель-инвертор-с. д. ) фильтров-компенсаторов. Такие действия экономически целесообразны при жестких ограничениях со стороны технологического процесса, в котором принимает участие конкретный синхронный привод. Как правило, напряжение питания с.д. составляет значительно выше 1000 В, что не может не отразиться отрицательно на стоимостных и массогабаритных показателях привода и, следовательно, способе частотного пуска и регулирования с.д.

2. Импульсный способ пуска с.д. (см. Г.А.Ривкин. Преобразовательные устройства. М. Энергия, 1970, с. 158 -197). Сущность данного способа. Если на период пуска с.д. подключить о.в. ротора к устройству возбуждения, а обмотку статора к электросети через преобразователь частоты, ведомый сетью, причем достаточно подключить одну из фаз с.д. (какую именно, определяют посредством датчика оси магнитного поля ротора по отношению к оси магнитного поля ближайшей фазы) и, определив угол фазового сдвига оси магнитного потока ротора и соответствующей фазы статора, подать импульс тока определенной длительности, амплитуды и направления именно в эту фазу обмотки статора, то возникает ускоряющий электромагнитный момент как результат взаимодействия магнитного поля статора и ротора в течение времени действия импульса тока статора. Результатом этого взаимодействия будет ускорение движения ротора в выбранном направлении с некоторым ускорением. Через 180 электрических градусов операцию повторяют необходимое число раз с учетом предыдущего приобретенного ротором ускорения, т.е. с учетом приращения амплитуды и длительности каждого последующего импульса по сравнению с предыдущим. Таким образом, ротор придет в ускоренное движение. По достижении заданной технологическим процессом конечной частоты ротора обмотку статора с.д. переключают на электросеть, после чего ротор втягивается в синхронизм. Недостатки данного способа. Невысокие стоимостные и массогабаритные показатели при редких пусках. Необходимость стабилизации параметров показателей качества электроэнергии пропорционально количеству пусков, продолжительности пусков и установленной мощности синхронного привода. Параллельно нагрузке (преобразователь-с. д.) необходимо подключение фильтров- компенсаторов. Преобразователи и фильтры-компенсаторы при использовании данного способа являются устройствами, работающими, как правило, при напряжении свыше 1000 В, что порождает гораздо больше проблем, чем призвано разрешить согласно технологическому процессу. При этом максимальный момент нагрузки в режиме пуска не превышает 30% от номинального.

3. Способ пуска регулированием напряжения электросети (см. А.И.Венгер. Регулируемый синхронный электропривод. М. "Энергоатомиздат", 1985, с. 47 - 70).

Сущность данного способа. Данный способ является разновидностью широко известного асинхронного способа пуска с.д. Согласно данному способу обмотка статора с.д. через регулятор напряжения электросети подключается к электросети, о.в. ротора замыкается на гасящее устройство (как правило, магазин резисторов с сопротивлением, в 8 12 раз превышающим активное сопротивление о. в. ротора), расположенное вне с.д. Регулятор, как правило, выполнен в виде встречно-параллельных тиристорных ключей по числу фаз сети с.д. Скорость нарастания напряжения пропорциональна скорости нарастания момента нагрузки в степени 0,5. По достижении ротором заданной технологическим процессом частоты (подсинхронной) обмотку статора переключают на электросеть, а о.в. переключают на устройство возбуждения, после чего ротор втягивается в синхронизм.

Недостатки данного способа. Невысокие экономические и массагабаритные показатели, особенно при редких пусках. Необходимость стабилизации параметров качества электросети пропорциональна количеству пусков, продолжительности пусков и установленной мощности привода. Параллельно нагрузке (регулятор-с. д. ) необходимо подключение фильтров-компенсаторов. Регулятор напряжения и фильтры-компенсаторы в данном способе являются устройствами, работающими, как правило, свыше 1000 В, что зачастую порождает гораздо больше проблем, чем призвано разрешить согласно технологическому процессу. Максимальный момент в период пуска пропорционален второй степени напряжения регулятора и не превышает 30% Описанные выше способы и устройства обеспечивают разгон с.д. путем изменения параметров электросети, питающей статор с.д. По этому основному признаку все изложенные способы эквивалентны одному: способ пуска и устройство пусковое путем изменения параметров электросети, питающей обмотку статора (как правило, значительно выше 1000 В). Недостатки, присущие способам пуска изменением параметров электросети статора, также в основном общие: снижение параметров качества электросети, напряжение свыше 1000 В, ограничения со стороны динамических возможностей с.д. и технологических возможностей привода.

В отличие от изложенных выше способов и устройств пуска с.д. асинхронный способ пуска с.д. не содержит устройств, предназначенных для изменения параметров электросети статора. Асинхронный способ пуска является наиболее близким к заявляемому техническому решению и принят авторами за прототип (см. Д. Э. Брускин, А.В.Зорохович, В.С.Хвостов. "Электрические машины", ч. 2. М. Высшая школа, 1979, с. 99 122).

Сущность данного способа.

С. д. пускают в ход как асинхронный, для чего с.д. снабжают специальной короткозамкнутой (к. з. ) пусковой обмоткой, выполненной по типу беличьей клетки с повышенным сопротивлением стержней. При включении обмотки статора в электросеть образуется вращающееся магнитное поле, которое, взаимодействуя с током в пусковой обмотке, создает электромагнитный момент и увлекает за собой ротор. Если пусковая обмотка отсутствует (это возможно у с.д. с неявно выраженными полюсами о. в. ротора), то в сплошном теле ротора возникает по закону электромагнитной индукции ток, магнитный поток которого взаимодействует с магнитным потоком статора и увлекает за собой ротор. Пуск с.д. в этом случае происходит как у асинхронного двигателя (а.д.) с массивным ротором. При обеих разновидностях с.д. ротора их замыкают на внешнее гасящее устройство (как правило, магазин сопротивлений-резисторов), которое позволяет снизить уровень выделения энергии в о.в. до уровня допустимого. По достижении ротором частоты вращения, близкой к синхронной (подсинхронной), о.в. переключают с гасящего устройства на устройство возбуждения. Проходящий по о. в. от устройства возбуждения ток создает синхронизующий момент, который втягивает ротор в синхронизм. Недостатки данного способа. В процессе пуска выделяется значительное количество тепловой энергии в теле ротора. Применение специальных пусковых обмоток частично решает задачу пуска с.д. но универсальность достигается нанесением значительного урона основному качеству с. д. Способ асинхронного пуска не- применим (или имеет ограничения по числу пусков и их продолжительности) при большом приведенном моменте инерции на валу ротора с.д. что может вызвать нежелательные последствия, как правило, вследствие динамических перегрузок, не предусмотренных технологическим процессом механизма, который обслуживает данный с.д. Применение реакторов, автотрансформаторов ограничивает область технологического использования с.д. приводит к режимам автоколебательного характера, сопровождается снижением стоимостных и массогабаритных показателей синхронного привода. Асинхронный способ пуска посредством регулятора напряжения статора, как было указано выше, к плохой динамике добавляет искажение параметров электросети, причем путем повышения затрат на синхронный привод.

Технический результат, достигаемый изобретением, расширение технологических возможностей использования с.м. при одновременном снижении динамических нагрузок.

Данный технический результат достигается тем, что в течение всего периода пуска синхронной машины с обмоткой возбуждения на роторе и многофазной обмоткой статора многофазную обмотку статора подключают к первичной электросети соответствующей частоты, а обмотку возбуждения ротора к гасящему устройству и при достижении ротором с.м. подсинхронной частоты вращения о.в. отключают от гасящего устройства и подключают к устройству возбуждения, и до момента достижения ротором с.м. подсинхронной частоты вращения контролируют величину, частоту и фазу напряжения первичной электросети, величину индуктированной в обмотке возбуждения ротора ЭДС, частоту и фазу тока о.в. и регулируют по фазе, величине и знаку упомянутый ток и связанный с ним магнитный поток в роторе один раз за каждый полупериод относительной частоты индуктированной в о.в. ротора ЭДС в соответствии с законом: IAR SIRT/wN где IAR изменение тока ротора; S синус угла нагрузки с.м. например, S (0,1 0,3); IR номинальный ток о.в. ротора; wT текущая частота вращения ротора; wN частота первичной электросети, в течение времени, при котором оси магнитного потока сттора и магнитного потока ротора находятся в относительно синхронном, квазисинхронном взаиморасположении в пределах узла нагрузки синхронной машины, определяемом моментом совпадения указанных контролируемых параметров.

Отсчет фазового угла тока в о.в. ротора производят от момента перехода через ноль ЭДС, индуктируемой в о.в. ротора магнитным потоком статора. Длительность, величину и знак о.в. ротора регулируют при высоком электрическом сопротивлении магнитопровода ротора и гасящего устройства.

Устройство для осуществления пуска синхронной машины с обмоткой возбуждения на роторе и многофазной обмоткой статора, подключенной к электрической сети соответствующей частоты, содержащее устройство возбуждения, гасящее устройство, подключенные через переключатель к о.в. синхронной машины, содержит датчик параметров первичной электросети, пусковое устройство, снабженное датчиком тока и датчиком ЭДС, блоком ключей и блоком управления, датчик ЭДС подключен параллельно к гасящему устройству, к которому подключены последовательно соединенные датчик тока и блок ключей, управляющие электроды которого через линии связи и устройство вывода, так же как через линии связи и устройство вывода, переключатель, а через устройство ввода датчик параметров напряжения первичной электросети, датчик тока и датчик ЭДС обмотки возбуждения ротора подключены к блоку управления, арифметическо-логическое устройство (АЛУ) которого выполнено с возможностью решения дифференциального уравнения ,
где L индуктивность цепи;
di производная тока этой цепи;
dt интервал времени;
E амплитуда ЭДС источника;
Sin синус;
N угловая частота ЭДС источника;
T время,
и через соответствующие входы подключено к постоянному запоминающему устройству (ПЗУ), оперативно-запоминающему устройству (ОЗУ), генератору тактовой частоты (ГТЧ) блока управления, а через устройство ввода к датчику параметров напряжения первичной электросети, датчикам ЭДС и тока обмотки возбуждения ротора, и соответствующими выходами через устройство вывода к управляющим входам блока ключей и переключателя. Блок ключей выполнен в виде блока встречно-параллельных тиристоров. Датчик ЭДС и датчик тока обмотки возбуждения ротора, датчик параметров первичной электросети выполнены в виде аналого-цифровых преобразователей. Датчик ЭДС и датчик тока обмотки возбуждения ротора, датчик параметров первичной электросети выполнены в виде преобразователей ток-частота, напряжение-частота соответственно. Средства связи, соединенные с устройством ввода и устройством вывода, выполнены в виде волоконно-оптических линий связи. Гасящее устройство выполнено высокоомным.

Сравнение заявляемых решений с прототипом показывает, что способ пуска отличается тем, что в течение всего периода пуска синхронной машины с обмоткой возбуждения на роторе и многофазной обмоткой статора, многофазную обмотку статора подключают к первичной электросети соответствующей частоты, а обмотку возбуждения ротора к гасящему устройству, и при достижении ротором с. м. подсинхронной частоты вращения о.в. отключают от гасящего устройства и подключают к устройству возбуждения, и до момента достижения ротором с.м. подсинхронной частоты вращения контролируют величину, частоту и фазу напряжения первичной электросети, величину индуктированной в обмотке возбуждения ротора ЭДС, частоту и фазу тока о.в. и регулируют по фазе, величине и знаку упомянутый ток и связанный с ним магнитный поток в роторе один раз за каждый полупериод относительной частоты индуктированной в о.в. ротора ЭДС в соответствии с законом:
IAR SIRwT/wN
где IAR изменение тока ротора;
S синус угла нагрузки с.м. например, S (0,1 0,3);
IR номинальный ток о.в. ротора;
wT текущая частота вращения ротора;
wN частота первичной электросети,
в течение времени, при котором оси магнитного потока статора и магнитного потока ротора находятся в относительно синхронном, квазисинхронном взаиморасположении в пределах угла нагрузки синхронной машины, определяемого моментом совпадения указанных контролируемых параметров.

Отсчет фазового угла тока в о.в. ротора производят от момента перехода через ноль ЭДС, индуктируемой в о. в. ротора магнитным потоком статора. Длительность, величину и знак тока о. в. ротора регулируют при высоком электрическом сопротивлении магнитопровода ротора и гасящего устройства.

Сравнение заявляемых решений с прототипом показывает, что устройство для осуществления пуска отличается тем, что содержит датчик параметров первичной электросети, пусковое устройство, снабженное датчиком тока и датчиком ЭДС, блоком ключей и блоком управления, датчик ЭДС подключен параллельно к гасящему устройству, к которому подключены последовательно соединенные датчик тока и блок ключей, управляющие электроды которого через линии связи и устройство вывода, так же как через линии связи и устройство вывода, переключатель, а через устройство ввода -датчик параметров напряжения первичной электросети, датчик тока и датчик ЭДС обмотки возбуждения ротора подключены к блоку управления, арифметическо-логическое устройство (АЛУ) которого выполнено с возможностью решения дифференциального уравнения

где L индуктивность цепи;
di производная тока этой цепи;
dt интервал времени;
E амплитуда ЭДС источника;
Sin синус;
N угловая частота ЭДС источника;
T время,
и через соответствующие входы подключено к постоянному запоминающему устройству (ПЗУ), оперативно-запоминающему устройству (ОЗУ), генератору тактовой частоты (ГТЧ) блока управления, а через устройство ввода к датчику параметров напряжения первичной электросети, датчикам ЭДС и тока обмотки возбуждения ротора, и соответствующими выходами через устройство вывода к управляющим входам блока ключей и переключателя.

Блок ключей выполнен в виде блока встречно-параллельных тиристоров. Датчик ЭДС и датчик тока обмотки возбуждения ротора, датчик параметров первичной электросети выполнены в виде аналого-цифровых преобразователей. Датчик ЭДС и датчик тока обмотки возбуждения ротора, датчик параметров первичной электросети выполнены в виде преобразователей ток-частота, напряжение-частота соответственно. Средство связи, соединенное с устройством ввода и устройством вывода, выполнено в виде волоконно-оптических линий связи. Гасящее устройство выполнено высокоомным.

Сравнение заявляемых решений не только с прототипом, но и с другими техническими решениями в данной области техники не позволило выявить в них данной совокупности признаков. А именно, вышеуказанная совокупность признаков позволяет достигнуть необходимый технический результат, т.е. расширение технологических возможностей использования синхронных машин при одновременном снижении динамических нагрузок.

Предлагаемый способ пуска может быть реализован только в с.м. снабженных о. в. на роторе, это условие является необходимым. Необходимым и достаточным условием в отношении конструкции с.м. является то, что магнитопровод ротора должен обладать высоким сопротивлением электрическому току. Известно, что высоким сопротивлением электрическому току обладает, например, магнитопровод ротора, выполненный шихтованным из листов электротехнической стали. Число пазов и число витков о.в. ротора остается таким же, как у с.м. данного конкретного типоразмера. При этом все энергетические характеристики с.м. не претерпевают изменений в худшую сторону, а ток в магнитопроводе ротора в любом режиме не превышает тока намагничивания.

Известно, что энергия магнитного поля электрической цепи, подключенной к источнику (через согласующий трансформатор или без него) постоянной по периоду изменения ЭДС (напряжения), обладающей активным сопротивлением R и индуктивностью L, стремится к установившемуся значению, проявление которого особенно заметно при малой длительности интервалов, отведенных на ее изменение. С протеканием или изменением тока в окружающей цепь среде существует сопутствующее всем изменениям тока его магнитное поле, в котором запасается магнитная энергия в виде части, израсходованной питающей цепь источником. В общем виде энергию магнитного поля катушки индуктивности при подключении ее к источнику ЭДС можно записать, используя второе правило Кирхгофа:
E Ri + L(di/dt) (1)
Умножим обе части (1) на (idt), получим в левой части (1) выражение энергии, выработанной источником за время (dt)
Eidt Riidt + Lidi (2)
или, подставляя
L(di) d(Li) dQ, (3)
получим
Eidt Eiidt + idQ, (4)
где: i ток;
di производная тока;
dt интервал времени;
L индуктивность;
Q потокосцепление.

В правой части уравнений (2) и (4) первое слагаемое выражает энергию, переходящую за время dt в тепло (этим слагаемым объясняется необходимость выполнения магнитопровода ротора из электротехнической стали). Наличие второго слагаемого (Lidi или idQ) указывает, что источник отдал, а цепь приняла еще некоторое количество энергии:
dw Lidi=idQ, (5)
связанное с увеличением потокосцепления цепи, т.е. с изменением магнитного поля. Отсюда можно заключить, что второе слагаемое выражает прирост энергии магнитного поля при возрастании тока в цепи на величину di за время dt. Полная энергия, запасенная в магнитном поле при возрастании тока от 0 до 1:

Промежуточный вывод из изложенной теоретической части. При прочих равных условиях количество энергии, запасенное в магнитном поле некоторой катушки индуктивности, пропорционально как величине тока, так и его длительности. Последнее означает, что если с.м. представить в виде магнитосвязанных двух систем, первичной статора, подключенного к электросети, и вторичной - магнитопровода ротора с обмоткой, то физическое взаимодействие между ними, выражающееся в появлении движущего момента ротора относительно статора, будет пропорционально при прочих равных условиях величине и длительности тока обмотки статора и величине и длительности тока обмотки ротора. Потери на токи намагничивания х.х. как статора, так и ротора ограничены в основном шихтованной конструкцией их магнитопроводов, и основные токи (их длительность, величина, направление) обмотки статора и ротора как раз и являются определяющими для появления движущего момента между магнитной системой статора и ротора. Как известно, с.м. не имеет начального пускового момента. Если, как в способе асинхронного пуска с.м. статор с.м. подключить к электросети переменного тока напряжением UFN с угловой частотой N, когда ротор его (магнитопровод его ротора выполнен шихтованным из электротехнической стали) неподвижен (частота вращения ротора wT 0), а обмотка возбуждения его подключена на гасящее устройство (высокоомный резистор, величина которого R такова, что исключает пробой изоляции о.в. ротора), то за один период изменения магнитного поля статора (как в трансформаторном режиме) в о.в. ротора будет наводиться по закону электромагнитной индукции ЭДС той же частоты, а величина этой ЭДС E пропорциональна коэффициенту трансформации. Состояние RL-цепи о.в. ротора может быть описано дифференциальным уравнением:

При этом величина тока (i) с.м. 1 в цепи о.в. 2 ротора 3 не велика. Не велика, следовательно, и энергия r, запасенная в магнитном поле о.в. 2 ротора 3. При этих условиях ротор 3 с.м. 1 не может прийти во вращение, так как его ротор 3, обладающий определенным моментом инерции, запас незначительное количество магнитной энергии, и оно недостаточно для ускоряющего ротор 3 взаимодействия с магнитным полем статора (не показан). Для того, чтобы ротор 2 с.м. 1 начал двигаться согласно направлению вращения магнитного потока статора, необходимо, чтобы в его о.в. 2 протекал электрический ток. Магнитный поток статора с.м. 1 по сравнению с моментом инерции ротора 3 можно считать безынерционной средой, которая меняет свой знак каждые 180 эл. град. Так же меняет свой знак и ЭДС пока еще неподвижного ротора 3. Для того, чтобы ротор 3 с.м. 1 пришел в ускоренное движение в направлении вращения магнитного потока статора, необходимо параллельно гасящему устройству 4 подключить предлагаемое устройство пусковое 5, позволяющее осуществить регулирование по длительности, величине и направлению протекания электрического тока от индуктированной магнитным потоком статора в о.в. 2 ротора 3 ЭДС. Именно это устройство пусковое 5 обеспечивает регулирование по длительности, величине и знаку ("северный" или "южный") возникновения в нужном месте, в нужное время, необходимое по длительности, величине и знаку возникновения, связанного с током, о. в. 2 ротора 3, магнитного потока о.в. 2 ротора 3, причем один раз за каждый полупериод (через 180 эл.град.) относительной частоты wO ЭДС о.в. ротора 3, и причем только в течение времени, при котором оси магнитного потока статора и ротора 3 находятся в относительном синхронном (квазисинхронном) состоянии. Пусковое устройство 5 осуществляет автоматическое регулирование согласно вышеописанному алгоритму только в течение периода пуска, т.е. по достижении заданной подсинхронной частотой частоты wT ротора (обычно не более 0,98wN) и фазы оси магнитного потока о.в. 2 ротора 3 по отношению к оси магнитного потока статора.

Для реализации предлагаемого способа пуска служит устройство пусковое, представленное на фиг. 1.

Устройство пусковое 5 предназначено для синхронных машин 1 (например, синхронных двигателей), снабженных обмоткой возбуждения 2 на роторе 3. Многофазная обмотка статора в течение всего периода работы с.м. 1 подключена к первичной электросети 6 соответствующей частоты и напряжения. Гасящее устройство 4 в течение всего периода пуска через переключатель 7 подключено к о. в. 2, по окончании которого переключатель 7 переключает о.в. 2 к устройству возбуждения 8. Устройство пусковое 5 на весь период пуска подключено параллельно гасящему устройству 4 к о.в. 2.

Устройство пусковое 5 включает в себя блок ключей 9, датчик тока 10 и датчик ЭДС 11 о. в. 2 ротора 3, датчик 12 параметров напряжения первичной электросети 6, устройство ввода 13 и вывода 14, устройство управления 15. Устройство управления 15 через устройство ввода 13 соединено посредством средства связи 16 с датчиком 12 параметров напряжения первичной электросети 6, посредством средств связи 17 с датчиком тока 10, посредством средств связи 18 с датчиком ЭДС 11 о.в. 2, а через устройство вывода 14 соединено посредством средства связи 19 с блоком ключей 9 и посредством средства связи 20 с переключателем 7.

Устройство управления 15 содержит арифметическо-логическое устройство (АЛУ) 21, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) 22, оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) 23, генератор тактовой частоты (ГТЧ) 24.

Вход АЛУ 21 устройства управления 15 соединен с устройством ввода 13, а выход АЛУ 21 с устройством вывода 14. Кроме того, АЛУ 21 соединено с ПЗУ 22, ОЗУ 23, ГТЧ 24.

Устройство работает следующим образом. Блок ключей 9 (например, выполненный в виде тиристорных встречно-параллельных ключей устройства пускового 5) подключен параллельно гасящему устройству 4 к о.в. 2 ротора 3. Посредством блока ключей 9 осуществляется регулирование по длительности, величине, направлению, времени и месту протекания электрического тока по о.в. 2 и связанного с ним магнитного потока о.в. 2 ротора 3. Датчик ЭДС 11 о.в. 2 ротора 3 подключен параллельно блоку ключей 9. По поступающим от датчика ЭДС 11 показаниям устройство управления 15 определяет частоту, мгновенное значение ЭДС о.в. 2 ротора 3. Датчик тока 10 о.в. 2 ротора 3 включен последовательно о. в. 2 к блоку ключей 9. По его показаниям устройство управления 15 осуществляет контроль за величиной, длительностью, направлением и фазой тока о. в. 2 ротора 3 от относительной ЭДС о.в. 2 ротора 3. Датчик 12 параметров напряжения первичной электросети 6 предназначен для контроля напряжения, частоты и фазы электросети по отношению к величине, частоте и фазе магнитного потока о.в. 2 ротора 3 посредством устройства управления 15. Информация от указанных датчиков 10, 11, 12 при помощи средств связи 16, 17, 18 поступает через устройство ввода 13 в АЛУ 21. Сигналы управления для работы блока ключей 9, переключателя 7 (по началу разгона -"Включить", по окончанию "Выключить") через устройство вывода 14 поступают на блок ключей 9 (через каждые 180 эл. град. относительной частоты ротора) и переключатель 7 посредством средств связи 19 и 20. Средства связи выполнены, например, в виде оптических линий связи с соответствующими преобразователями на входе и выходе их. Устройство управления 15 (может по составу напоминать или быть им) представляет собой необходимый минимальный набор микроЭВМ. ПЗУ 21 предназначено для хранения и содержит необходимый минимум данных по конкретной с.м. мощность P, частота wN, напряжение фазное номинальное UFN, ток статора номинальный IFN, индуктивность фазы обмотки статора LF, активное сопротивление фазы статора RF, ЭДС холостого хода (х.х.) статора KN3, приведенный момент инерции привода JP, момент номинальный с.м. М, число витков обмотки фазы статора NF, ток возбуждения о.в. ротора номинальный IR, напряжение устройства возбуждения номинальное UR, активное сопротивление о.в. RR, число витков о. в. NR, индуктивность обмотки возбуждения LR, постоянную времени о.в. ротора TRN1, постоянную времени механическую TRN, постоянную времени электромеханическую TEM, задание-закон изменения тока о.в. ротора IAR. По имеющимся базовым данным в ПЗУ 21 с тактовой частотой dt генератор тактовой частоты (ГТЧ) 24, АЛУ 21 (или процессор) выполняет согласно алгоритму вычисления с поступающими от датчиков 10, 11, 12 данными, храня промежуточные результаты в пределах периода TOR относительной частоты wO ЭДС о.в. ротора в ОЗУ 23. Через каждые 180 эл. град. относительной частоты wO ЭДС о.в. ротора сигналы управления помтупают на блок ключей 9 в виде угла управления, например, осуществляя таким образом регулирование тока о.в. ротора по величине длительности и знаку согласно заданию в момент времени, когда оси магнитного потока статора и ротора находятся в относительно синхронном (квазисинхронном) состоянии. Из теории с.м. известно, что синхронное состояние определяется углом нагрузки с. м. При этом допустимый диапазон изменения угла нагрузки, как известно, составляет: 0<QU<PI/2 (или от 0 до 90 эл. град.), где QU текущее значение угла нагрузки с.м.

Задание на изменение тока о.в. ротора в ПЗУ 22 находится, например, в виде:
IAR SIRwT/wN, (8)
где S=Sin(QU) и, например, в частном случае составляет (0,1 0,3). То есть, ток в о.в. ротора при подсинхронной частоте 0,98wN, например, не превышает 0,3IR. Для реализации заданного закона (8) изменения тока о.в. ротора, АЛУ 21 с тактовой частотой ГТЧ 24 в пределах каждого TOR производит решение дифференциального уравнения типа (7). Задача, таким образом, сводится к определению через каждые 180 эл. град. угла управления блока ключей 9 (согласно заданию по уравнению (8)), работающего на нагрузку, состоящую из последовательно соединенных резисторов RR, реактора LR, источника питания в виде индуктированной потоком статора ЭДС, согласно закону электромагнитной индукции, текущей относительной частоты wO статора и ротора при собственной частоте ротора wT и собственной частоте потока статора wN. Повторяя в течение всего периода пуска описанные выше действия через каждые 180 эл. град. относительной частоты wO ротора, устройство управления 15 посредством блока ключей 9 реализует предлагаемый способ пуска с. м. 1, осуществляя регулируемое по длительности, величине и направлению протекание электрического тока от индуктированной магнитным потоком статора в о.в. 2 ротора 3 ЭДС, и, следовательно, осуществляя регулируемое по длительности, величине и знаку ("северный" или "южный") возникновение связанного с ним магнитного потока о.в. ротора, один раз за каждый полупериод относительной частоты wO ЭДС ротора в течение времени, при котором оси магнитного потока статора и ротора находятся в относительном синхронном (квазисинхронном) состоянии, до заданной подсинхронной частоты вращения ротора и фазы оси магнитного потока ротора с последующим переключением посредством переключателя 7 о.в. 2 ротора 3 к устройству возбуждения 8.

Изложенное выше практически означает, что с.м. как устройство, представляющее из себя две магнитосвязанные системы (статора и ротора), физически реализует взаимодействие между магнитными потоками статора и ротора в виде движущего момента ротора относительно статора согласно предлагаемому квазисинхронному способу пуска без специального источника питания о.в. ротора и нанося искажения параметрам электросети не более, чем 30% от мощности, затраченной на возбуждение с.м. которая сама по себе, как известно, не превышает 1 5% мощности с.м. причем меньшее значение относится к более крупным машинам.

Формула изобретения

1. Способ пуска синхронной машины с обмоткой возбуждения на роторе и многофазной обмоткой статора, при котором многофазную обмотку статора в течение всего периода пуска подключают к первичной электросети соответствующей частоты, а обмотку возбуждения ротора к гасящему устройству и при достижении ротором синхронной машины подсинхронной частоты вращения обмотку возбуждения отключают от гасящего устройства и подключают к устройству возбуждения, отличающийся тем, что в течение периода пуска до момента достижения ротором синхронной машины подсинхронной частоты вращения контролируют величину, частоту и фазу напряжения первичной электросети, величину индуктированной в обмотке возбуждения ротора ЭДС, частоту и фазу тока обмотки возбуждения и регулируют по фазе, величине и знаку упомянутый ток и связанный с ним магнитный поток в роторе один раз за каждый полупериод относительной частоты индуктированной в обмотке возбуждения ротора ЭДС в соответствии с законом
IAR = SIRT/N
в течение времени, при котором оси магнитного потока статора и магнитного потока ротора находятся в относительно синхронном, квазисинхронном, взаиморасположении в пределах угла нагрузки синхронной машины, определяемом моментом совпадения контролируемых параметров,
где IAR изменение тока ротора;
S синус угла нагрузки синхронной машины, например, S (0,1 0,3);
IR номинальный ток обмотки возбуждения ротора;
T - текущая частота вращения ротора;
N - частота первичной электросети.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что отсчет фазового угла тока в обмотке возбуждения ротора производят от момента перехода через ноль ЭДС, индуктированной в обмотке возбуждения ротора магнитным потоком статора.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что регулируют длительность, величину и знак тока обмотки возбуждения ротора при высоком электростатическом сопротивлении магнитопровода ротора и гасящего устройства.

4. Устройство для пуска синхронных машин с обмоткой возбуждения на роторе и многофазной обмоткой статора, подключенной к электросети соответствующей частоты, содержащее устройство возбуждения, гасящее устройство, подключенное через переключатель к обмотке возбуждения синхронной машины, отличающееся тем, что введены датчик параметров первичной электросети, пусковое устройство, снабженное датчиком тока и датчиком ЭДС, блоком ключей и блоком управления, датчик ЭДС подключен параллельно к гасящему устройству, к которому подключены последовательно соединенные датчик тока и блок ключей, управляющие электроды которого через линии связи и устройство вывода, также как через линии связи и устройство вывода переключатель, а через устройство ввода датчик параметров напряжения первичной электросети, датчик тока и датчик ЭДС обмотки возбуждения ротора подключены к блоку управления, арифметическо-логическое устройство которого выполнено с возможностью решения дифференциального уравнения

и через соответствующие входы подключено к постоянному запоминающему устройству, оперативно-запоминающему устройству, генератору тактовой частоты блока управления, а через устройство ввода к датчику параметров первичной электросети, датчикам ЭДС тока обмотки возбуждения ротора, и соответствующими выходами через устройство вывода к управляющим входам блока ключей и переключателя,
где L индуктивность цепи;
di производная тока этой цепи;
dt интервал времени;
E амплитуда ЭДС источника;
sin синус;
N - угловая частота ЭДС источника;
T время.

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что блок ключей выполнен в виде блока ключей встречно параллельных тиристоров.

6. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что датчик ЭДС и датчик тока обмотки возбуждения ротора, датчик параметров первичной электросети выполнены в виде аналого-цифровых преобразователей.

7. Устройство по п.4, отличающееся тем, что датчик ЭДС и датчик тока обмотки возбуждения ротора, датчик параметров первичной электросети выполнены в виде преобразователей ток-частота, напряжение частота соответственно.

8. Устройство по п.4, отличающееся тем, что средства связи, соединенные с устройством ввода и устройством вывода, выполнены в виде волоконно оптических линий связи.

9. Устройство по п.4, отличающееся тем, что гасящее устройство выполнено высокоомным.

РИСУНКИ

Рисунок 1

NF4A Восстановление действия патента Российской Федерации на изобретение

Номер и год публикации бюллетеня: 21-2004

Извещение опубликовано: 27.07.2004