СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ТОКОМ ВОЗБУЖДЕНИЯ СИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2004 года по МПК H02P1/46 H02P5/40 H02P7/36 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в системах автоматического регулирования возбуждения синхронных двигателей.

Известны широко применяемые в промышленности тиристорные возбудители типа ТЕ-8 и ВТЕ-320-6 (Абрамович Б.Н., Чаронов В.Я., Дубинин Ф.Д., Коновалов Ю.В. Электромеханические комплексы с синхронным двигателем и тиристорным возбуждением. Санкт-Петербург, Наука, 1995, Возбудитель ТЕ 8-320-5 Паспорт 1ВХ.579.054 ПС), реализующие в зависимости от положения соответствующих переключателей один из трех способов управления током возбуждения синхронного двигателя: по отклонению напряжения электропитания статора, по отклонению cosϕ двигателя и по отклонению рассчитываемой по косвенным измерениям величины угла нагрузки двигателя.

Выбор того или иного способа управления зависит от характера нагрузки двигателя и качественных показателей сети электроснабжения. При относительно стабильной нагрузке и наличии колебаний напряжения или мощности питающей сети предпочтение отдается способу управления по отклонению напряжения на шинах статора, при переменной нагрузке с амплитудой, близкой к номинальной мощности двигателя - по углу нагрузки, а при недогруженном двигателе более экономичным оказывается управление по отклонению cosϕ двигателя от единицы.

Реальные же условия работы синхронных двигателей зачастую характеризуются как непостоянством нагрузки на валу двигателя, так и значительными возмущениями параметров сети электроснабжения.

Более адекватными реальным условиям являются способы или устройства управления возбуждением синхронных двигателей, предусматривающие управление током возбуждения как по отклонению напряжения статора, так и по величине реактивной составляющей тока статора.

В известном изобретении по а.с. №1053709 предлагается способ ограничения минимального тока возбуждения синхронной машины, в котором при величине отклонения реактивной составляющей тока статора от уставки, большей 2-4% номинального значения тока статора, прекращают воздействие на ток возбуждения по отклонению напряжения, а по достижении отклонения реактивной составляющей тока от уставки, меньшей 2-4% номинального значения тока статора, прекращают воздействие на ток возбуждения по отклонению реактивной составляющей и изменяют в соответствующую сторону уставку регулятора возбуждения по напряжению.

Недостатком этого способа является определение достижения током возбуждения границы минимального возбуждения по косвенному показателю - величине потребляемого реактивного тока. Кроме того, в качестве границы минимального возбуждения выбрано фиксированное значение величины реактивной составляющей вне зависимости от величины нагрузки на валу двигателя.

Наиболее близким к предлагаемому является способ управления током возбуждения, реализуемый в устройстве для возбуждения синхронного двигателя по а.с. №1739470, в котором используются три соподчиненных контура регулирования. Контур регулирования напряжения статора вырабатывает уставку для контура регулирования реактивного тока статора, выходной сигнал которого в сумме с постоянным сигналом задатчика служит уставкой для регулятора тока возбуждения. Сигнал с регулятора напряжения до подачи на регулятор реактивного тока перемножается на сигнал, пропорциональный интегралу отклонения полного тока статора от номинального значения. Если отклонение напряжения статора находится в зоне нечувствительности или значение указанного интеграла равно нулю, то регулятор реактивного тока поддерживает последний на нулевом уровне. Если же напряжение статора выходит за пределы зоны нечувствительности и значение интеграла не равно нулю, то реактивный ток начинает изменяться, отрабатывая отклонение напряжения статора.

Данное изобретение повышает энергетические показатели синхронного электропривода за счет снижения потерь энергии, но в то же время обладает рядом недостатков. Обеспечение устойчивой работы двигателя ограничением минимального возбуждения достигается в нем путем использования интеграла отклонения тока статора в качестве коэффициента пропорциональности регулятора напряжения. Применение такого косвенного метода не может обеспечить однозначного определения состояния объекта относительно границ области устойчивости.

Для предотвращения перегрева ротора в устройстве осуществляют ограничение тока возбуждения путем подключения ограничителя тока возбуждения между выходом регулятора реактивного тока и суммирующим входом регулятора тока возбуждения. Ограничение имеет фиксированную величину по превышению тока возбуждения. Поскольку время воздействия завышенной величины тока возбуждения не учитывается, то и не гарантируется ограничение на необходимом уровне полученного ротором теплового импульса. Колебания температуры обмотки ротора приводят к изменениям величины ее омического сопротивления, что еще более увеличивает неопределенность теплового импульса ротора при данной величине тока возбуждения.

В предлагаемом способе управления током возбуждения синхронного двигателя устранены указанные выше недостатки.

Цель изобретения - повышение устойчивости синхронной работы двигателя при обеспечении минимальных потерь в статоре и недопущении перегрева ротора двигателя.

Сущность изобретения заключается в том, что задают минимальное и максимальное значения рабочего диапазона угла нагрузки двигателя, при выходе величины угла из заданного диапазона ведут управление током возбуждения по величине отклонения угла нагрузки от заданного номинального значения, пока величина отклонения не изменит знак, после чего начинают воздействовать на ток возбуждения по отклонению напряжения статорной цепи.

Задают также номинальное и верхнее допустимое значения температуры обмотки ротора, измеряют величины напряжения и тока возбуждения, вычисляют величину производной от тока возбуждения, используя полученные значения и известные величины индуктивности обмотки ротора и температурного коэффициента сопротивления токопроводящего материала обмотки, рассчитывают текущую температуру обмотки. При достижении температурой верхнего допустимого значения ограничивают выходные сигналы контуров автоматического регулирования тока возбуждения уровнем, соответствующим величине тока возбуждения в пределах 0,95-1,0 его номинального значения, пока температура не снизится до номинальной рабочей величины.

Таким образом, в каждый данный момент управление возбуждением осуществляется одним из двух конкурирующих контуров – контуром управления по напряжению статора или контуром управления по углу нагрузки машины - в зависимости от величины этого угла.

Если при включенном контуре по напряжению величина угла выходит из заданного диапазона (θ_min, θ_max), то управление передается контуру по углу нагрузки. По окончании процесса отработки отклонения угла от заданного значения θ_зад управление вновь осуществляется контуром по напряжению. Уставкой регулятора напряжения статора управляет третий, вспомогательный регулятор, который, удерживая величину cosϕ двигателя вблизи единицы, обеспечивает минимизацию потерь в статорной цепи.

Регулятор напряжения статора реализует ПД-закон регулирования, чем достигается эффективное демпфирование колебаний ротора при резких изменениях напряжения статора.

Верхняя граница заданного диапазона угла нагрузки машины θ_max ограничивает минимальную допустимую по условиям устойчивости величину возбуждения двигателя, а передача управления регулятору угла нагрузки при достижении последним минимальной величины θ_min разрешенного диапазона предотвращает работу двигателя в неэкономичном режиме перевозбуждения при пониженной величине нагрузки на валу двигателя.

Ограничение максимально допустимой величины тока ротора осуществляется путем вычисления температуры его обмотки по измеряемым величинам напряжения на обмотке и производной от тока ротора. При достижении температурой ротора Т верхнего допустимого значения Т_max сигналы каналов автоматического регулирования тока возбуждения ограничиваются уровнем, несколько меньшим номинального тока возбуждения рабочего режима двигателя. После охлаждения ротора до заданной номинальной величины температуры Т_ном ограничение снимается.

На фиг.1 приведена функциональная схема устройства, реализующая предлагаемый способ управления током возбуждения синхронного двигателя. Устройство содержит регулятор 1 напряжения статорной цепи двигателя 21, регулятор 2 угла нагрузки двигателя 21, задатчик 3 угла нагрузки, первый вычитающий элемент 4, второй вычитающий элемент 5, первый переключающий элемент 6, трехпозиционный элемент сравнения 7, регулятор 8 cosϕ двигателя 21, второй переключающий элемент 9, ограничивающий элемент 10 с характеристикой, изображенной на фиг.2, тиристорный возбудитель 11, двухпозиционный элемент сравнения 12, преобразователь 13 cosϕ двигателя, преобразователь 14 угла нагрузки двигателя 21, датчик 15 напряжения статорной цепи двигателя 21, датчик 16 тока возбуждения, датчик 17 напряжения роторной цепи двигателя 21, блок 18 вычисления температуры обмотки ротора, датчик 19 положения ротора, датчик 20 тока статорной цепи двигателя 21.

При этом вход регулятора напряжения 1 подключен к выходу первого вычитающего элемента 4, вычитаемый вход которого подключен к выходу датчика 15 напряжения статорной цепи двигателя 21, а вычитающий вход - к выходу регулятора 8 cosϕ двигателя, выход регулятора 1 напряжения подключен к первому переключаемому входу первого переключающего элемента 6, ко второму переключаемому входу которого подключен выход регулятора 2 угла нагрузки двигателя, вход которого подключен к выходу второго вычитающего элемента 5, вычитаемый вход которого подключен к выходу преобразователя 14 угла нагрузки двигателя 21, а вычитающий - к задатчику 3 угла нагрузки, первый переключающий элемент 6 подключен своим управляющим входом к выходу трехпозиционного элемента сравнения 7, а своим выходом - к входу второго переключающего элемента 9, подключенного своим первым переключаемым выходом к нелинейному ограничивающему элементу 10, управляющим входом - к двухпозиционному элементу сравнения 12, а своим вторым переключаемым выходом, объединенным с выходом элемента 10, - к входу тиристорного возбудителя 11, выход которого подключен к обмотке возбуждения синхронного электродвигателя 21, выходы датчиков 16 и 17 тока возбуждения и напряжения роторной цепи двигателя подключены к информационным входам блока 18 вычисления температуры обмотки ротора, подключенного своим выходом к входу двухпозиционного элемента сравнения 12, первый вход преобразователя 13 cosϕ двигателя и первый вход преобразователя 14 угла нагрузки подключены к выходу датчика 15 напряжения статорной цепи двигателя 21, а вторые входы преобразователей 13 и 14 соответственно - к выходу датчика 20 тока статорной цепи и к выходу датчика 19 положения ротора электродвигателя 21.

Устройство, реализующее способ управления током возбуждения синхронного двигателя, работает следующим образом.

Управление режимом работы синхронного двигателя 21 осуществляется посредством изменения тока в обмотке возбуждения, которая подключена к выходу тиристорного возбудителя 11. Управление величиной тока возбуждения путем изменения управляющего сигнала на входе тиристорного возбудителя 11 осуществляется один из двух контуров регулирования в зависимости от положения переключающего элемента 6, подключенного своим выходом через второй переключающий элемент 9 к входу тиристорного возбудителя 11. В положении <1> переключателя 6 к входу тиристорного возбудителя 11 подключается выход регулятора 1 контура управления током возбуждения по отклонению напряжения статора. Сигнал отклонения напряжения статора на входе регулятора 1 формируется вычитающим элементом 4, на вычитаемый вход которого поступает сигнал сдатчика 15 напряжения статора, а на вычитающий вход - сигнал уставки по напряжению, вырабатываемый регулятором 8 косинуса угла двигателя. Текущее значение cosϕ на вход регулятора 8 поступает с выхода преобразователя 13, который формирует его по сигналам, поступающим на его входы с системы датчиков 15 напряжения и 20 тока статорной цепи двигателя. Регулятор 8 путем изменения уставки регулятора 1 по отклонению напряжения осуществляет стабилизацию cosϕ двигателя на уровне единицы по пропорционально-интегральному закону, отрабатывая любые возмущения в режимах работы двигателя 21, приводящие к изменению потребляемой им реактивной мощности, и обеспечивает таким образом минимизацию потерь в статорной цепи двигателя. Регулятор 1 тока возбуждения по отключению напряжения статорной цепи отрабатывает как изменение самой уставки по напряжению, получаемой им от регулятора 8 через вычитающий элемент 4, так и любые отклонения напряжения на шинах статора от величины уставки. Пропорционально-дифференциальный закон регулирования, реализуемый регулятором 1, обеспечивает повышенную динамическую устойчивость режимов работы двигателя 21 за счет эффективного демпфирования быстропеременных возмущений по напряжению на шинах статора.

Регулятор 1 осуществляет управление током возбуждения при значениях угла нагрузки двигателя, находящихся в диапазоне (θ_мин, θ_макс). При выходе угла нагрузки из указанного диапазона по команде трехпозиционного элемента сравнения 7, выход которого подключен к управляющему входу переключателя 6, последний устанавливается в положение <2>, при котором к управляющему входу тиристорного возбудителя 11, проходя через переключающий элемент 9, подключается выход регулятора 2 угла нагрузки двигателя. Текущее значение угла нагрузки на входе элемента сравнения формируется преобразователем 14 угла нагрузки по поступающим на его измерительные входы сигналам напряжения статора сдатчика 15 и положения вектора магнитного момента ротора сдатчика 19. Выход преобразователя угла нагрузки 14 подключен также к вычитаемому входу разностного элемента 5, к вычитающему входу которого подключен выход задатчика 3 угла нагрузки.

Сигнал отклонения угла нагрузки от заданного значения θ_зад с выхода вычитающего элемента 5 поступает на вход регулятора 2 угла нагрузки. Регулятор 2 осуществляет отработку отклонения угла по ПИД-закону. Как только величина отклонения сменит знак, на выходе элемента сравнения 7 вырабатывается командный сигнал перехода переключателя 6 из состояния <2> в состояние <1> и управление током возбуждения передается регулятору 1 по отклонению напряжения статора.

Передача управления от регулятора 1 регулятору 2 при увеличении угла нагрузки до значения θ_макс предотвращает выход двигателя из области устойчивого синхронного хода, а переход управления током возбуждения от регулятора 1 к регулятору 2 при пониженных до значения θ_мин величинах угла нагрузки обеспечивает экономичное соответствие количества потребляемой электроэнергии величине нагрузки на валу двигателя.

Для ограничения величины тока возбуждения при работе регуляторов 1 и 2 по условию недопущения перегрева ротора осуществляется непрерывный контроль температуры обмотки ротора путем косвенного измерения активного сопротивления обмотки. Расчет текущего значения температуры Т обмотки выполняется вычислительным блоком 18, на информационные входы которого поступают сигналы сдатчика 16 тока возбуждения I_f и датчика 17 напряжения возбуждения U_f. Выход блока 18 подключен к входу двухпозиционного элемента сравнения 12. На выходе блока 18 формируется сигнал, пропорциональный значению температуры Т обмотки ротора, определяемому из системы уравнений

где R_T - значение активного сопротивления обмотки ротора;

L - индуктивность обмотки ротора;

ΔU_щ - падение напряжения на щетках для щеточных электродвигателей;

I_f - ток возбуждения;

U_f - напряжение возбуждения;

R₀ - активное сопротивление ротора при заданной температуре Т₀;

как правило, Т₀=15°С.

До тех пор, пока температура Т остается ниже величины верхнего допустимого значения Т_макс, на выходе элемента сравнения 12, подключенного к управляющему входу переключателя 9, действует командный сигнал, удерживающий переключатель 9 в положении <2>, при котором сигналы управления с регуляторов 1 или 2 на выходе переключателя 6 проходят через переключатель 9 непосредственно на вход тиристорного возбудителя 11. В случае повышения температуры Т до значения Т_макс на выходе элемента сравнения 12 устанавливается сигнал, переводящий переключатель 9 в положение 1, при котором управляющие сигналы с регуляторов 1 и 2 поступают на вход тиристорного возбудителя 11, проходя через ограничивающий элемент 10, характеристика которого изображена на фиг.2. При величине сигнала Х₉ на входе элемента 10, меньшей заданного максимального значения Х_{9 макс}, сигнал на его выходе F₁₀ (Х₉) равен по величине входному сигналу. При значениях сигнала на входе, превышающих величину Х_{9 макс}, выходной сигнал элемента 10 ограничивается величиной Х_{9 макс}, соответствующей значению тока возбуждения на выходе тиристорного возбудителя в заданном диапазоне 0,95-1,0 номинальной величины тока возбуждения. Следовательно, после перехода переключателя 9 в положение <1>, инициированного повышением температуры обмотки ротора до допустимого верхнего значения, величина тока возбуждения на выходе тиристорного возбудителя 11 всегда меньше или равна своему номинальному значению. После остывания обмотки ротора до номинального значения температуры Т_ном на выходе элемента сравнения 12 устанавливается командный сигнал, возвращающий переключатель 9 в положение 2.

Таким образом, предлагаемый способ управления током возбуждения синхронного двигателя обеспечивает минимальные потери энергии в двигателе, повышение динамической и статической устойчивости синхронного режима его работы и повышение точности ограничения максимального тока возбуждения по условию предотвращения перегрева его ротора.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в системах автоматического регулирования возбуждения синхронных электродвигателей. Техническим результатом является повышение устойчивости синхронной работы электродвигателя при обеспечении минимальных потерь в статоре и стабилизации рабочей температуры ротора электродвигателя. В способе управления током возбуждения синхронного электродвигателя в каждый данный момент управление возбуждением осуществляется или контуром управления по напряжению статора или контуром управления по углу нагрузки двигателя - в зависимости от величины угла. При выходе величины угла нагрузки из заданного диапазона прекращают воздействие на ток возбуждения по отклонению напряжения и ведут управление током возбуждения по величине отклонения угла нагрузки от заданного номинального значения, пока величина отклонения не изменит знак. Затем вновь начинают воздействовать на ток возбуждения по отклонению напряжения статорной цепи. В указанном способе обеспечивают ограничение выходных сигналов контуров автоматического регулирования тока возбуждения в случае превышения текущей температурой обмотки ее верхнего допустимого значения уровнем, соответствующим величине тока возбуждения в пределах 0,95-1,0 его номинального значения до тех пор, пока температура обмотки не снизится до номинальной рабочей величины. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ управления током возбуждения синхронного двигателя, при котором измеряют величину cosϕ двигателя и текущее значение его угла нагрузки, поддерживают значение cosϕ на уровне 1,0 путем изменения в соответствующую сторону значения уставки контура регулирования тока возбуждения по отклонению напряжения статорной цепи, осуществляемого по пропорционально-дифференциальному закону, отличающийся тем, что, с целью повышения устойчивости и снижения энергетических потерь, задают минимальное и максимальное значения рабочего диапазона угла нагрузки двигателя, при выходе величины угла из заданного диапазона прекращают воздействие на ток возбуждения по отклонению напряжения и ведут управление током возбуждения по величине отклонения угла нагрузки от заданного номинального значения, пока величина отклонения не изменит знак, после чего вновь начинают воздействовать на ток возбуждения по отклонению напряжения статорной цепи.2. Способ управления током возбуждения синхронного двигателя по п.1, при котором задают номинальное и верхнее допустимое значения температуры обмотки ротора, измеряют величины напряжения и тока возбуждения, вычисляют величину производной от тока возбуждения, используя полученные значения и известные величины индуктивности обмотки ротора и температурного коэффициента сопротивления токопроводящего материала обмотки, рассчитывают текущую температуру обмотки и, при достижении ею верхнего допустимого значения, ограничивают выходные сигналы контуров автоматического регулирования тока возбуждения уровнем, соответствующим величине тока возбуждения в пределах 0,95-1,0 его номинального значения, пока температура не снизится до номинальной рабочей величины.