СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ВОЗБУЖДЕНИЕМ СИНХРОННОЙ МАШИНЫ Российский патент 2004 года по МПК H02P1/50 H02P9/38 

Изобретение относится к области электротехники, в частности может быть использовано для возбуждения синхронных машин с преобразователем с двухсторонней проводимостью.

Известен преобразователь с двухсторонней проводимостью (ПДП) выполненный на основе машины постоянного тока (МПТ) с обмоткой возбуждения, имеющей малую постоянную времени, который описан в [Сергеев П.С. Электрические машины. - М.-Л.: Госэнергоиздат, 1962, с.269]. При этом ПДП работал в выпрямительном режиме, когда МПТ работала в режиме генератора и ПДП работал в режиме инвертора, когда МПТ работала в режиме двигателя.

Недостатком такого преобразователя с двухсторонней проводимостью, выполненного на основе машины постоянного тока, является невозможность максимального использования электромагнитного момента, создаваемого обмоткой возбуждения синхронной машины, из-за малого быстродействия при циклическом управлении ПДП. Другими недостатками являются относительно низкий коэффициент полезного действия МПТ, коммутации на коллекторе, шум.

Известны сведения о работе двухстороннего преобразователя на симисторах или встречно-параллельно включенных тиристорах, которые приведены в [А.с. №247383, кл. 21 с, 57/34 (МПК Н 02 Р). Устройство для возбуждения синхронных машин. БИ №22, 1969]. Показано, что преобразователь, благодаря двухсторонней проводимости симисторов или встречно-параллельно включенных тиристоров, способен в асинхронных режимах пропускать ток, создаваемый э.д.с., наведенной в обмотке возбуждения полем статора. Импульсы на отпирание вентилей формируются устройством управления в функции частот скольжения и питающей сети. Коммутация тока между группами тиристоров происходит при изменении полярности тока в обмотке возбуждения, а коммутация между тиристорами внутри каждой группы - под действием фазных э.д.с. вторичных обмоток согласующего трансформатора.

Недостатком данного способа является невозможность создания максимального электромагнитного момента от обмотки возбуждения.

Известен способ пуска и самозапуска синхронного электродвигателя, описанный в [Патент РФ №2014720, МПК 6 Н 02 Р 1/50. Способ пуска и самозапуска синхронного электродвигателя. БИ №11, с.155-156, 1994].

Способ пуска и самозапуска синхронного электродвигателя, при котором подключают обмотку возбуждения к активному добавочному сопротивлению, а обмотку статора к напряжению питающей сети, измеряют мгновенные значения напряжений на статоре и тока в обмотке возбуждения, определяют скольжение ротора, при достижении скольжением первого заданного значения при каждом провороте ротора относительно поля статора определяют моменты времени для переключении обмотки возбуждения, в соответствии с которыми и чередуют ее подключение к возбудителю с двухполярным форсированным напряжением с подключением к добавочному активному сопротивлению, при достижении скольжением второго заданного значения обмотку возбуждения подключают к возбудителю с постоянным по знаку напряжением, отличается тем, что дополнительно измеряют мгновенные значения токов в статоре, определяют знак производной тока в обмотке возбуждения, вычисляют мгновенные значения вращающего электромагнитного момента и фиксируют его максимальные и минимальные значения в течение каждого проворота ротора относительно поля статора, при этом обмотку возбуждения подключают к добавочному активному сопротивлению в моменты фиксации каждого максимального значения вращающего электромагнитного момента, а к возбудителю с форсированным напряжением, полярность которого выбирают совпадающей со знаком производной тока в обмотке возбуждения, подключают в моменты фиксации каждого минимального значения вращающего электромагнитного момента, а подключение обмотки возбуждения к возбудителю с постоянным по знаку напряжением, полярность которого выбирают совпадающей со знаком производной тока в обмотке возбуждения, производят при достижении скольжением второго заданного значения после фиксирования минимального значения вращающего электромагнитного момента, причем вращающий электромагнитный момент m определяют по формуле

m=(U_a-i_aR_a)i_a+(U_в-i_вR_в)i_в+(U_c-i_cR_c)i_ac,

где U_a, u_в, U_с - фазные напряжения статора, В;

i_a, i_а, i_с - фазные токи статора, А;

R_a, R_в, R_с - активные сопротивления обмоток статора, Ом.

Недостатком является применение добавочного активного сопротивления в цепи обмотки возбуждения, так как при определенном управлении работой двухстороннего преобразователя возможно создание режима, эквивалентного введению в цепь обмотки возбуждения активного сопротивления.

Наиболее близким аналогом (прототипом) является изобретение, описанное в [Патент РФ №2064219, МПК 6 Н 02 Р 1/50. Способ пуска и ресинхронизации синхронной машины. БИ №20, с.270, 1996].

Способ пуска и ресинхронизации синхронной машины с системой возбуждения, содержащей преобразователь с двухсторонней проводимостью, при котором обмотку возбуждения подключают к преобразователю с двухсторонней проводимостью, который переводят в инверторный режим, а обмотку статора подключают к трехфазному напряжению питающей сети, от которой производят пуск и ресинхронизацию, при этом измеряют ток обмотки возбуждения, определяют скольжение и при величине скольжения, соответствующей подсинхронной скорости вращения, переводят упомянутый преобразователь в выпрямительный режим, подавая напряжение в обмотку возбуждения синхронной машины, отличающийся тем, что измеряют ток и напряжение статора и определяют мгновенные значения угла сдвига фаз между током и напряжением, знаки первых производных этого угла и тока в обмотке возбуждения и при скоростях вращения, меньших подсинхронной, производят циклическое управление преобразователем с двухсторонней проводимостью, переводя его из инверторного режима в выпрямительный в момент, когда знак первой производной угла сдвига фаз между током и напряжением статора становится положительным, и переводят указанный преобразователь в инверторный режим в момент, когда знак упомянутой производной становится отрицательным, при этом при переводе преобразователя с двухсторонней проводимостью при циклическом управлении в выпрямительный режим подачу напряжения в обмотку возбуждения синхронной машины осуществляют со знаком, совпадающим со знаком производной тока в обмотке возбуждения, при достижении ротором синхронной машины подсинхронной скорости вращения прекращают циклическое управление проводимостью преобразователя с двухчастотной проводимостью после очередного перевода его в выпрямительный режим.

Недостатком данного способа является отключение как инверторного, так и выпрямительного режима преобразователя с двухсторонней проводимостью в момент включения выпрямительного режима, что снижает средний электромагнитный момент синхронной машины. Как следует из описания изобретения прототипа включение выпрямительного режима осуществляется, например, при отрицательной первой производной тока возбуждения и положительном значении самого тока возбуждения. При этом выпрямительный режим должен обеспечивать отрицательное выходное напряжение преобразователя с двухсторонней проводимостью (фиг.1 описания изобретения прототипа). Однако выпрямительный режим возможен только в случае совпадения по направлению (знаку) тока и напряжения преобразователя с двухсторонней проводимостью. Поэтому включения выпрямительного режима не произойдет, а инверторный режим будет отключен. При этом преобразователь с двухсторонней проводимостью остается как без инверторного, так и без выпрямительного режима. На фиг.1 показано циклическое управление преобразователем с двухсторонней проводимостью согласно способу, показанному в описании прототипа. Значение угла (нами вычисляется как разность фаз между напряжением и током (в прототипе значение угла (вычисляется как разность фаз между током и напряжением). Исходя из того, что угол (отстающего тока (например, индуктивного) обычно принимается положительным, изменяем соответственно знаки производных угла ϕ.

Диаграмма, представленная на фиг.1, получена в результате работы математической модели, выполненной на компьютерной системе проведения инженерных и научных расчетов MatLAB, пакет SimuLink [Герман-Галкин С.Г. Компьютерное моделирование полупроводниковых систем в MatLab 6.0. СПб: Корона-Принт, 2001, 320с.; MatLab/help/toolbox/powersys/sinchronousmaschine.html.].

На фиг.1: I_f - ток возбуждения; U_f - выходное напряжение преобразователя с двухсторонней проводимостью; В - выпрямительный режим работы преобразователя с двухсторонней проводимостью (согласно прототипу); И - инверторный режим работы преобразователя с двухсторонней проводимостью (согласно прототипу); И₁ - на данном временном интервале невозможно осуществить выпрямительный режим, так как выходные ток и напряжение преобразователя с двухсторонней проводимостью различны по направлению (знаку).

Кроме того, при наличии тока в тиристорах, проводящих ток в инверторном режиме, включение выпрямительного режима противоположного направления ведет к короткому замыканию источника питания преобразователя с двухсторонней проводимостью.

При отключении инверторного режима на интервале И₁ среднее выходное напряжение преобразователя с двухсторонней проводимостью равно нулю, что снижает эффективность использования преобразователя с двухсторонней проводимостью.

Техническим результатом изобретения является повышение входного момента синхронной машины.

Сущность изобретения заключается в том, что способ управления возбуждением синхронной машины с системой возбуждения, содержащей преобразователь с двухсторонней проводимостью, при котором обмотку возбуждения подключают к преобразователю с двухсторонней проводимостью и производят циклическое управление указанным преобразователем, который переводят в инверторный и выпрямительный режимы, а обмотку статора подключают к трехфазному напряжению питающей сети, от которой производят пуск и ресинхронизацию синхронной машины, при этом определяют частоту вращения и при величине частоты вращения, достаточной для синхронизации синхронной машины, переводят упомянутый преобразователь в выпрямительный режим, подавая постоянное напряжение в обмотку возбуждения синхронной машины, согласно изобретению определяют угол нагрузки синхронной машины и при частоте вращения, меньшей частоты вращения, достаточной для синхронизации синхронной машины, производят циклическое управление выходным напряжением преобразователя с двухсторонней проводимостью, переводя его из режима положительного напряжения в режим отрицательного напряжения посредством перемены знака выходного напряжения преобразователя с двухсторонней проводимостью (меандра напряжения), приложенного к обмотке возбуждения, в функции угла нагрузки, при этом при угле нагрузки, изменяющемся от до знак выходного напряжения преобразователя с двухсторонней проводимостью устанавливают отрицательным, и при угле нагрузки, изменяющемся от до знак выходного напряжения преобразователя с двухсторонней проводимостью устанавливают положительным, и переводят преобразователь с двухсторонней проводимостью в инверторный режим, когда ток и выходное напряжение преобразователя с двухсторонней проводимостью не совпадают по направлению (знаку) и переводят преобразователь с двухсторонней проводимостью в выпрямительный режим, когда ток и выходное напряжение преобразователя с двухсторонней проводимостью совпадают по направлению (знаку), при этом увеличивают установленное максимальное напряжение преобразователя с двухсторонней проводимостью пропорционально погрешности измерения угла нагрузки.

Способ поясняется чертежами, где

на фиг.1 показано циклическое управление преобразователем с двухсторонней проводимостью, согласно способу, описанному в прототипе; I_f - ток возбуждения; U_f - выходное напряжение преобразователя с двухсторонней проводимостью; В - выпрямительный режим работы преобразователя с двухсторонней проводимостью (согласно прототипу); И - инверторный режим работы преобразователя с двухсторонней проводимостью (согласно прототипу); И₁ - на данном временном интервале невозможно осуществить выпрямительный режим, так как выходные ток и напряжение преобразователя с двухсторонней проводимостью различны по направлению (знаку);

на фиг.2 показан идеальный случай выделения активной и реактивной составляющих тока возбуждения, I_a - активная составляющая тока возбуждения, I_r - реактивная составляющая тока возбуждения, I_f - результирующий ток возбуждения, U_f - выходное напряжение преобразователя с двухсторонней проводимостью (меандр напряжения возбуждения);

на фиг.3 показаны временные диаграммы изменения тока возбуждения I_f, выходного напряжения преобразователя с двухсторонней проводимостью U_f и угла нагрузки Θ;

на фиг.4 показаны осциллограммы изменения тока возбуждения I_f и выходного напряжения преобразователя с двухсторонней проводимостью U_f в различные моменты времени при оптимальном регулировании выходного напряжения преобразователя с двухсторонней проводимостью: фиг.4а - момент времени подачи возбуждения; фиг.4б - промежуточный момент времени; фиг.4в - момент времени вхождения синхронной машины в синхронизм; И - инверторный режим преобразователя с двухсторонней проводимостью (согласно предлагаемому в заявке способу); В - выпрямительный режим преобразователя с двухсторонней проводимостью (согласно предлагаемому в заявке способу);

на фиг.5 показано оптимальное изменение напряжения преобразователя с двухсторонней проводимостью в функции угла нагрузки, при котором входной момент синхронной машины будет максимальным;

на фиг.6 показано смещение меандра выходного напряжения преобразователя с двухсторонней проводимостью относительно оптимального на угол α;

на фиг.7 показаны кривые зависимости времени синхронизации синхронной машины от смещения меандра выходного напряжения преобразователя с двухсторонней проводимостью относительно оптимального при различной форсировке напряжения возбуждения.

на фиг.8 показана зависимость электромагнитного момента синхронной машины (М) от смещения меандра выходного напряжения преобразователя с двухсторонней проводимостью при различных значениях выходного напряжения преобразователя с двухсторонней проводимостью. U_f.кр - критическое значение выходного напряжения преобразователя с двухсторонней проводимостью. U_f.кр - это минимальное выходное напряжение преобразователя с двухсторонней проводимостью, при котором происходит успешная синхронизация синхронной машины с питающей сетью;

на фиг.9 показана функциональная схема устройства управления преобразователем с двухсторонней проводимостью в цепи обмотки возбуждения, выполненная на основе блока вычисления угла нагрузки (Θ); устройство состоит из измерительного блока 1, блока 2 вычисления угла нагрузки, устройства формирования сигнала управления 3, преобразователя с двухсторонней проводимостью 4, синхронной машины 5;

на фиг.10 показана функциональная схема устройства управления преобразователем с двухсторонней проводимостью в цепи обмотки возбуждения, выполненная на основе датчика положения ротора; устройство состоит из устройства формирования сигнала управления 3, преобразователя с двухсторонней проводимостью 4, синхронной машины 5, датчика положения ротора 6.

Система возбуждения в виде двухстороннего преобразователя может быть выполнена на встречно-параллельно включенных тиристорах, в виде двух выпрямителей включенных встречно, в виде машины постоянного тока (МПТ) с обмоткой возбуждения имеющей малую постоянную времени. Для двухстороннего преобразователя, выполненного на основе МПТ работа в выпрямительном режиме - это работа МПТ в режиме генератора, инверторный режим преобразователя с двухсторонней проводимостью возможен при работе МПТ в режиме двигателя.

Управление двухсторонним преобразователем в цепи обмотки возбуждения производится таким образом, чтобы максимально воздействовать только на активную составляющую тока возбуждения (фиг.2).

Только максимально воздействуя на активную составляющую тока возбуждения, можно достичь наибольшего увеличения входного момента синхронной машины. При этом меандр выходного напряжения преобразователя с двухсторонней проводимостью должен опережать результирующий ток возбуждения, как показано на фиг.2. Чтобы максимально воздействовать на активную составляющую тока возбуждения, выходное напряжение преобразователя с двухсторонней проводимостью необходимо изменять в функции угла нагрузки (Θ).

Оптимальное управление выходным напряжением преобразователя с двухсторонней проводимостью осуществляем следующим образом, при частоте вращения, меньшей частоты вращения, достаточной для синхронизации синхронной машины, производим циклическое управление выходным напряжением преобразователя с двухсторонней проводимостью, переводя его из режима положительного напряжения в режим отрицательного напряжения посредством перемены знака выходного напряжения преобразователя с двухсторонней проводимостью, приложенного к обмотке возбуждения, в функции угла нагрузки. При этом, как показано на фиг.3, при угле нагрузки, изменяющемся от до знак выходного напряжения преобразователя с двухсторонней проводимостью становится отрицательным, и при угле нагрузки, изменяющемся от до знак выходного напряжения преобразователя с двухсторонней проводимостью становится положительным, и переводим преобразователь с двухсторонней проводимостью в инверторный режим, когда ток и выходное напряжение преобразователя с двухсторонней проводимостью не совпадают по направлению (знаку) и переводим преобразователь с двухсторонней проводимостью в выпрямительный режим, когда ток и выходное напряжение преобразователя с двухсторонней проводимостью совпадают по направлению (знаку).

На фиг.4. показаны осциллограммы изменения тока возбуждения и выходного напряжения преобразователя с двухсторонней проводимостью в различные моменты времени при оптимальном регулировании выходного напряжения преобразователя с двухсторонней проводимостью.

Оптимальное регулирование выходного напряжения преобразователя с двухсторонней проводимостью создает максимальный входной момент синхронной машины. Любые отклонения при регулировании выходного напряжения преобразователя с двухсторонней проводимостью от оптимального изменения угла нагрузки при смене полярности выходного напряжения преобразователя с двухсторонней проводимостью ведут к увеличению времени синхронизации и, следовательно, уменьшению входного момента синхронной машины. На фиг.5 показано изменение меандра напряжения возбуждения в функции угла нагрузки, при котором входной момент синхронной машины будет максимальным.

Если меандр напряжения “сдвинуть” по оси абсцисс относительно оптимального в любую сторону, входной момент синхронной машины уменьшится.

При реальном определении угла нагрузки (возможна погрешность, которая приведет к смещению меандра выходного напряжения преобразователя с двухсторонней проводимостью относительно оптимального. На фиг.6 показано смещение меандра выходного напряжения преобразователя с двухсторонней проводимостью на угол α. При смещении меандра выходного напряжения преобразователя с двухсторонней проводимостью на угол α происходит уменьшение воздействия на активную составляющую тока возбуждения, следовательно, происходит уменьшение входного момента синхронной машины. Для повышения входного момента синхронной машины в данном случае необходимо увеличить выходное напряжение преобразователя с двухсторонней проводимостью пропорционально изменению модуля угла α.

На фиг.7 показаны характеристики времени синхронизации синхронной машины в зависимости от смещения на угол α меандра выходного напряжения преобразователя с двухсторонней проводимостью при различной форсировке. Отсчет времени на характеристиках ведется с момента времени начала управления выходным напряжением преобразователя с двухсторонней проводимостью.

Ограниченность графиков по оси абсцисс указывает на то, что при большем угле α синхронизация синхронной машины не достигается. Увеличение выходного напряжения преобразователя с двухсторонней проводимостью позволяет достичь синхронизации при большем значении угла α.

На фиг.8 показана зависимость электромагнитного момента синхронной машины (М) от смещения меандра выходного напряжения преобразователя с двухсторонней проводимостью при различных значениях выходного напряжения преобразователя с двухсторонней проводимостью. Под критическим значением выходного напряжения преобразователя с двухсторонней проводимостью (U_f.кр) понимаем минимальное выходное напряжение преобразователя с двухсторонней проводимостью, при котором происходит успешная синхронизация синхронной машины с питающей сетью, при α=0 эл.град. При рассмотрении данной характеристики видно, что при сдвиге меандра выходного напряжения преобразователя с двухсторонней проводимостью в любую сторону происходит уменьшение электромагнитного момента синхронной машины и синхронизация с сетью невозможна.

Устройства, реализующие данный способ, показаны на фиг.9 и 10.

Устройство на фиг.9 состоит из измерительного блока 1, блока 2 вычисления угла нагрузки, устройства формирования сигнала управления 3, преобразователя с двухсторонней проводимостью 4, синхронной машины 5.

С выходов измерительного блока 1 на блок 2 вычисления угла нагрузки (Θ) поступают значения напряжения и тока статора синхронной машины. Также на блок 2 поступают значения выходного напряжения преобразователя с двухсторонней проводимостью (U_f) и тока возбуждения синхронной машины (I_f). На выходе блока 2 формируется сигнал, пропорциональный углу нагрузки (Θ). Этот сигнал поступает на вход устройства формирования сигнала управления 3, которое выдает серии импульсов для управления преобразователем с двухсторонней проводимостью 4.

Устройство на фиг.10 отличается от устройства на фиг.9 тем, что вместо измерительного блока 1 и блока 2 вычисления угла нагрузки (Θ), вводится датчик положения ротора 6 для прямого измерения угла нагрузки (Θ).

Данный способ позволяет также осуществить автоматическую ресинхронизацию синхронной машины после кратковременных перерывов питания (нарушений электроснабжения), вызванных короткими замыканиями и глубокими понижениями напряжения.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для возбуждения синхронных машин с преобразователем с двухсторонней проводимостью. Техническим результатом является повышение выходного момента синхронной машины. В способе управления возбуждением синхронной машины определяют частоту вращения и при величине частоты вращения, достаточной для синхронизации синхронной машины, переводят преобразователь с двухсторонней проводимостью в выпрямительный режим, подавая постоянное напряжение в обмотку возбуждения синхронной машины, определяют угол нагрузки синхронной машины и при частоте вращения, меньшей частоты вращения, достаточной для синхронизации синхронной машины, производят циклическое управление выходным напряжением преобразователя с двухсторонней проводимостью, переводя его из режима положительного напряжения в режим отрицательного напряжения посредством перемены знака выходного напряжения преобразователя с двухсторонней проводимостью (меандра напряжения), приложенного к обмотке возбуждения, в функции угла нагрузки. При угле нагрузки, изменяющемся от -π/2 до π/2, знак выходного напряжения преобразователя с двухсторонней проводимостью устанавливают отрицательным. При угле нагрузки, изменяющемся от π/2 до 3π/2, знак выходного напряжения преобразователя с двухсторонней проводимостью устанавливают положительным, и переводят преобразователь с двухсторонней проводимостью в инверторный режим, когда ток и выходное напряжение преобразователя с двухсторонней проводимостью не совпадают по направлению (знаку). Переводят преобразователь с двухсторонней проводимостью в выпрямительный режим, когда ток и выходное напряжение преобразователя с двухсторонней проводимостью совпадают по направлению (знаку). Затем увеличивают установленное максимальное напряжение преобразователя с двухсторонней проводимостью пропорционально погрешности измерения угла нагрузки. 10 ил.

Способ управления возбуждением синхронной машины с системой возбуждения, содержащей преобразователь с двухсторонней проводимостью, при котором обмотку возбуждения подключают к преобразователю с двухсторонней проводимостью и производят циклическое управление указанным преобразователем, который переводят в инверторный и выпрямительный режимы, а обмотку статора подключают к трехфазному напряжению питающей сети, от которой производят пуск и ресинхронизацию синхронной машины, при этом определяют частоту вращения и при величине частоты вращения, достаточной для синхронизации синхронной машины, переводят упомянутый преобразователь в выпрямительный режим, подавая постоянное напряжение в обмотку возбуждения синхронной машины, отличающийся тем, что определяют угол нагрузки синхронной машины и при частоте вращения, меньшей частоты вращения, достаточной для синхронизации синхронной машины, производят циклическое управление выходным напряжением преобразователя с двухсторонней проводимостью, переводя его из режима положительного напряжения в режим отрицательного напряжения посредством перемены знака выходного напряжения преобразователя с двухсторонней проводимостью (меандра напряжения), приложенного к обмотке возбуждения, в функции угла нагрузки, при этом при угле нагрузки, изменяющемся от до знак выходного напряжения преобразователя с двухсторонней проводимостью устанавливают отрицательным, и при угле нагрузки, изменяющемся от до знак выходного напряжения преобразователя с двухсторонней проводимостью устанавливают положительным, и переводят преобразователь с двухсторонней проводимостью в инверторный режим, когда ток и выходное напряжение преобразователя с двухсторонней проводимостью не совпадают по направлению (знаку), и переводят преобразователь с двухсторонней проводимостью в выпрямительный режим, когда ток и выходное напряжение преобразователя с двухсторонней проводимостью совпадают по направлению (знаку), при этом увеличивают установленное максимальное напряжение преобразователя с двухсторонней проводимостью пропорционально погрешности измерения угла нагрузки.