Устройство для пуска синхронной машины Советский патент 1988 года по МПК H02P1/50 

Фиг.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для пуска мощных синхронньтх машин от источников переменного тока регули- руемой и нерегулируемой частоты.

Целью изобретения является упрощение ,

На фиг. 1 приведена электрическая структурная схема устройства для пус ка синхронной машины; на фиг. 2 - временная диаграмма, поясняющая определение положения ротора и момента включения; на фиг. 3 - временная диаграмма, поясняющая работу устройст- ва.

Устройство для пуска синхронной машины 1 содержит управляемый выключатель 2 с замыкающими контактами, возбудитель 3 постоянного тока, трех фазный трансформатор А напряжения, дополнительно введенные преобразователь напряжение - частота 5, два делителя 6 и 7 напряжения, фильтр 8 верхних частот, три нуль-органа 9- 11, два бесконтактных управляемых ключа 12 и 13, два блока 14 и 15 памяти уровня напряжения, два компаратора 16 и 17, схему 18 совпадения, усилитель 19 и три управляемых раз- мыкающих выключателя 20-22.

Возбудитель 3 постоянного тйка. подключен к обмотке индуктора синхронной машины 1. Первичная обмотка трансформатора напряжения через вто- рой размыкающий выключатель 20 соединена с источником переменного тока регулируемой частоты, а вторичная обмотка трансформатора напряжения - с входом первого делителя 6 напряжения и входом преобразователя напряжение - частота 5, выход которого подключен к входу второго делителя 7 напряжения и через первый размыкающий выключатель 21 к обмотке якоря синхронной машины 1. С выходами делителя 7 напряжения соединены информационные входы ключей 12 и 13 соответственно, управляющие входы которых подключены к выходу третьего нуль-органа 9, входом соединенного с выходом фильтра 8, вход которого связан через третий управляемый размыкающий выключатель с .обмоткой ин- дь ктора синхронной машины 1. Выходы ключей 12 и 13 соединены с входами блоков 14 и 15 памяти уровня напряжения, выходами подключеньгых к вторы входам компараторов 16 и 17. Первые

входы компараторов 16, 17 соединены с выходами первого делителя 6 напряжения, а выходы компараторов - с входами первого 10 и второго 11 нуль- органов. Выход каждого нуль-органа 10, 11 подключен к соответствующему входу схемы 18 совпадения, выходом подключенной к входу усилителя 19, выход которого соединен с управляющими входами выключателей 2, 20-22.

Устройство для пуска работает следующим образом.

Для выполнения частотного пуска обмотка якоря возбужденной синхронной машины должна быть включена на трехфазное напряжение источника питания переменного тока. Для плавного трогания с места частота этого напряжения должна быть небольшой (порядка долей или единиц Гц). величина этого напряжения должна соответствовать частоте так, чтобы был обеспечен необходимый пусковой момент без насыщения магнитной цепи и без перегрузки машины по току. Напряжение с такими начальными параметрами подготавливает и присутствует на шинах источника питания (на входе отключенного выключателя 2). Таким образом, в случае частотного пуска от другого синхронного генератора это означает, что ведущий генератор имеет те небольшие величины частоты вращения и напряжения, которые соответствуют условию успешного пуска. При этом должна быть выполнена точная синхронизация невключенной синхронной машины с источником питания .

Для определения углового положения оси обмотки неподвижного ротора и последующей синхронизации к обмотке статора синхронной машины прикладывается трехфазная система измерительных напряжений , U gj. U (фиг. 2а, За). Эти измерительные напряжения формируются от подготовленного напряжения источника питания низкой частоты и амплитуды по цепи: выключатель 20 - трансформатор 4 напряжения - преобразователь напряжение - частота 5. Трансформатор 4 напряжения предназначен для гальванической развязки низковольтных цепей управления от опчюсительно высокого напряжения источника питаттия и для понижения этого напряжения до

необходимого уровня. MpC n6p;i oB,-|Tf.

5 преобразует напряжение низкой частоты источника питания, которая при этом может изменяться, в напряжение более высокой неизменной частоты, амплитуда выходного напряжения преобразователя меньше и жестко связана с напряжением на входе преобразователя 5. Такой преобразователь целесообразно выполнить с промежуточным звеном постоянного тока по схеме; неуправляемый выпрямитель - инвертор с фильтром или без фильтра. При таком выполнении преобразователя амплитуда измерительного напряжения, приложенная к обмотке якоря, всегда жестко связана с амплитудой подготовленного напряжения источника питания независимо от частоты. Трехфазная система измерительного напряжения (фиг. 2с() создает в неподвижной синхронной машине вращающееся поле частоты измерительного напряжения. Это вращающееся поле статора наводит в обмотке неподвижного ротора переменное напряжение Up той же частоты (фиг. 25), фаза /3 которого определяется угловым положением ротора. Наведенное в обмотке ротора напряжение Up (фиг. 2) отстает от напряжения U (фиг. 28). приложенного к обмотке фазы А статора, на угол /J, выраженный в электрических градусах. Угол /а представляет собой простран- ственньй угол, на который ось ротора сдвинута относительно оси фазы А обмотки статора в сторону вращения вектора поля. Ка диаграмме (фиг. 2) изображен случай, когда ось ротора отстает на 45 .

Поскольку амплитуда измерительно го напряжения несоизмеримо меньше рабочего напряжения машины, то электромагнитный момент, создаваемый измерительным напряжением, пренебрежимо мал и не приводит к механическим перемещениям ротора, уровень наводимог в роторе напряжения невелик и не представляет опасности для изоляции обмотки ротора.

Ток 1д, протекаюЕЩй в фазе А обмотки статора, и соответственно создаваемый им магнитный поток отстают от напряжения U, приложенного к этой фазе обмотки, на 90 эл.град. (фиг. 2 В, г). В момент подключения источника питания к машине вектор магнитного поля статора сразу занимает определенное угловое положение

0

5

0

5

0

5

0

5

0

5

в пространстве, которое определяется мгновенными значениями напряжений, , приложенных к соответствующ1гм фазам I обмотки статора в момент включения. Для точной синхронизации необходимо, чтобы в момент включения угловое положение вектора магнитного потока статора совпадало с магнитной осью неподвижного ротора. Далее после синхронизации вектора магнитных потоков статора и ротора зацепляются и вращаются синхронно с угловой скорвстью, соответствующей частоте приложенного напряжения. Механически это обеспечивается вращением ротора с синхронной скоростью.

Если пространственная магнитная ось неподвижного ротора совпадала бы с осью фазы А статора, то напряжение надо было бы подключить в момент времени tj (фиг. 2в), когда ток (поток) фазы А имеет максимальное значение. Этот момент времени соответствует (также 31, 5 и т.д. нечетным IT) электрических градусов, измеренных от начала (нулевой фазы) напряжения U. Если пространственная магнитная ось ротора сдвинута на пространственный угол /з (в сторону вращения вектора) относительно оси обмотки фазы А статора, то напряжение к обмотке статора надо подключить позже - в момент времени t (фиг. 2в). Это запаздывание tj - t соответствует электрическому углу /J и представляет собой промежуток времени, который необходим для того, чтобы вектор магнитного потока статора повернулся бы на пространственный угол /з и совпал с магнитной осью ротора.

Если частота источника питания ,выше (фиг. 2г), то напряжение к обмотке статора надо подключить в момент t . Запаздывание включения относительно фазы If напряжения V (момента времени t j-) ив этом случае составляет р, электрических градусов, однако время, необходимое для поворота вектора на этот угол, t - tg уже меньше, чем в предыдущем случае более низкой частоты (фнг.2в). Следовательно, момент времени синхронного включения зависит от частоты напряжения источника питания,

В устройстве этот момент включения фиксируется следующим образом.

Момент синхронного включения как в случае низкой частоты t (фиг. 2 в) , так и в случае более высокой частоты t (фиг. 2 г) определяется мгновенным значением напряжения фаза,А, соответствующим углу If + ft своей частоты. Следовательно, включение должно быть выпо лнено в тот момент времени когда мгновенное значение напряжения в данной фазе достигает величины и . соответствующей аргументу времени Я + /ь , независимо от частоты, где р - пространственный угол сдвига магнитной оси обмотки ротора относительно оси обмотки статора в положительном направлении. Это опорное напряжение может быть определено из измерительного напряжения, приложенного к обмотке статора. Как следует из диаграммы мгновенное напряжение фазы А (фиг.2ч 5; За, s) имеет величину U д в мо-. мент времени t,,, когда напряжение Up, наведенное в обмотке ротора, проходит через нуль независимо от частоты измерительного напряжения. Это определяет способ определения опорного напряжения Чд, -заключающийся в .том, что в момент времени t, , когда переменное напряжение Up,, наведенное в обмотке ротора, прохо- дит через нуль, фиксиру ется и запоминается: в качестве опорного напряжения и,, мгновенное значение измерительного напряжения, приложенного к соответствующей фазе обмотки статора. Причем величина опорного напряжения (например, U ) не зависит ни от частоты измерительного напряжения ни от-частоты источника питания, так как амплитуды этих напряжений жестко связаны через преобразователь частоты независимо от частот на входе и выходе преобразователя.

Однако для однозначного фиксирования углового положения ротора необходим контроль по мгновенным напряжениям не менее двух фаз. Мгновенное напряжение фазы достигает величины Uflj (фиг. 2в, 1, , 3 в) не только, при аргументе врем.ени .IT + fi (не-- четных Г+ ( ), но и при углах О -/i 2f - /ь и т. д. (четных iT - /i) , Для однозначного фиксирования углового положения ротора и соответственно момента включения необходимо одновременное выполнение следующих усло- напряжение в фазе Л должно

иметь мгновенную величину U

-ft.

нап

ряжение в фазе В - U в,. напряжение в фазе С - U(; (фиг, 2а, За, б). Для однозначного определения угла /j достаточен контроль по двум фазам, например А, С. Например, включение возможно в моменты времени t,, t,o (фиг. За), когда напряжения фаз А и С одновременно равны опорным напряжениям и

и Ur соответственно (ось

5

0

5

0

5

0

5

0

5

магнитного потока источника питания совпадает с магнитной осью ротора)} включение невозможно в моменты времени tj, t , когда напряжение фазы А равно опорному напряжению U , а напряжение фазы С не равно опорному со (ось магнитного потока источника питания направлена противоположно магнитной оси ротора). .

Перед пуском синхронная машина возбуждена. К обмотке ротора приложено постоянное напряжение возбуждения от отдельного возбудителя 3 и в обмотке протекает постоянный ток возбуждения. В обмотке ротора на постоянное напряжение возбуждения наложено переменное напряжение Up. наведенное в обмотке измерительным напряжением статора. Переменное напряжение Up выделяется из обмотки ротора по цепи: выключатель 22 с нормально закрытыми контактами - фильтр 8 высокой частоты. Фильтр 8 высокой частоты пропускает только переменную составляющую напряжения, которое наведено в роторе, и не пропускает постоянное напряжение возбуждения в измерительную схему. Далее переменное напряжение подается на нуль-орган 9. В последнем в моменты времени t, t,j, ..., когда напряжение Up переходит от положительных значений к отрицательным и проходит через нуль, вырабатывается узкий считывающий импульс, который с выхода нуль-органа подается на управляющие входы бесконтактных ключей 12 и 13 и открывает эти ключи на короткий промежуток вре- мени, равный длительности считывающего импульса. Посредством открывающихся ключей 12 и 13 с измерительных напряжений через делитель 7 считываются опорные напряжения двух фаз (например, U и ) и запоминаются в блоках 14 и 15 памяти уровня напряжений соответственно.

В компараторах 16 п 17 сряпнипа- ются теку1 1ие iiaripH.iXfMuni истпчиикл питания Од. и с опорными напряжениями и. , и,, соответственно. Для

о -o

ЭТОГО на первые входы компараторов подаются текущие напряжения источника питания Ид, Uj. с делителя 6 напряжения, а на вторые входы компараторов подаются опорные напряжения Uj , Ur- с блоков 14 и 15 памяти

о о

соответственно. Регулируемые делители 6 и 7 напряжения предназначены для согласования уровней напряжений источника питания (U, Up) и опорных напряжений (Uy . U ) (фиг. Зв). Когда напряжение фазы А источника питания и больше опорного напряжения Ufl , на выходе компаратора 16 вырабатывается положительный сигнал прямоугольной формы единичной амплитуды (например, на интервале времени -8 fo фиг. 3 г). На оставшемся интервале времени, когда это условие не выполняется, напряжение на выходе компаратора находится на отрицательном смещенном (или нулевом) уровне. Аналогично когда напряжение фазы С источника питания больше опорного напряжения Uf- . положительный сигнал

0

прямоугольно формы единичной амплитуды вырабатывается на выходе компаратора 17 (фиг. Зе). Далее эти сигналы с вьгходов компараторов подаются на нуль-органы 10 и 11. В моменты времени, когда выходные сигналы компараторов проходят через нуль, на выходах нуль-орг анов возникают сигналы - узкие импульсы. Следовательно, сигналы на выходах соответствующих нуль-органов возникают в те моменты времени, когда напряжения соответствующих фаз источника питания становятся равными опорным напряжениям. Ширина этих импульсных сигналов должна быть достаточной для покрытия возможных отклонений во времени переключения компараторов фаз. Сигналы на выходе нуль-органа 16 фазы А - и д., изображены

на

фиг. , соответственно на выходе нуль-органа 17 фазы С - uj. изображены на фиг. Зж. Эти сигналы показаны 13 виде дифференцированных им

пульсов разной полярности. В этом случае для дальнейшей обработки сигналы отрицательной полярности должны быть выпрямлены (возможно использование схем нуль-органов, где сигналы выдгтются иапосре;1ственно положительFri-p() )lO,U«pf(OCTH) .

Ла.ггре сигналы нуль-органов фаз А и С подаются на -входы схемы 18 совпадения. Если сигналы нуль-органов фаз А и С присутствуют одновременно, значит одновременно выполняются услопия и. и

АП

Ur и,

- мгновен0

ные напряжения источника равны соответствующим опорным напряжениям од0 новременно в двух фазах. Следовательно, в эти моменты времени ось магнитного потока источника питания совпадает с осью магнитного потока ротора и -в эти моменты времени источник.

5 питания может быть подключен к обмотке статора. Таковыми являются моменты времени t,, каждый из этих моментов времени возникает сигнал на выходе элемента И 18, который, уси0 ливаясь в усилителе 19, создает более мощный сигнал включения Ug (фиг.З). В моменты времени tg, t , когда мгновенное напряжение источника равно опорному только в одной фазе (выпол5 няется только одно из указанных ус- ловий) и, следовательно, ось магнит- . ного потока источника питания направлена встречно оси магнитного потока ротора, включение недопустимо и сиг0 нал включения не возникает.

Сигналом включения Ь выключатель 2 замыкает свои нормально открытые контакты и подключает источник питания к обмотке статора в синхронном положении векторов, и тем самым начинается синхронный пуск синхронной машины, выключатели 20-22 размыкают свои нормально закрытые контакты и отключают указанную схему синQ хронизации от обмоток машины.

В случае, если время включения выключателя 2 в такой степени велико, что может привести к уходу от момента времени точной синхронизации, тогда возможна выдача сигнала на включение с определенным опережением. Это достигается предварительным изменением уровней опорных напряжений, снимаемых с делителя 7 напряжения, посредством изменения положения движков переменных резисторов. Так, например, если уровень опорного напряжения Uflp установить несколько выше, а уровень опорного напряжения и 5 соответственно несколько ниже, чем это показано на фиг. За, то момент включения наступит несколько раньше, чем t-, (соответственно раньше, чем

другие допустимые моменты включения и т.д.) .

Переходный процесс, возникающий в обмотке статора при включении, затухает гораздо быстрее, чем период питающего напряжения, принимая во внимание также, что включение производится при весьма малых частотах порядка долей или нескольких Гц, Поэтому временем переходного процесса при включении можно пренебречь и его не учитывать.

В принципе в устройство для пуска в качестве измерительного напряжения могло быть использовано подготовлен

кое напряжение самого источника питания, при этом преобразователь 5 частоты был бы исключен. Однако следует учесть, что напряжение источник питания в момент, предшествующий пуску, имеет весьма низкую частоту (порядка долей или единиц Гц) и не имеет строго определенной величины. Соответственно такую низкую частоту имеет и напряжение Up, наведенное в обмотке ротора. Выделение этого напряжения, частота которого близка к нулю, из обмотки ротйра, к которому приложено также напряжение возбуждения постоянного тока, т.-е, част тота которого равна нулю, вызывает определенные трудности. Разделение близких частот нефиксированной величины представляет известные трудности - усложняет фильтр и др. Если эти трудности практически преодолимы или начальная частота источника пит.ания перед пуском имеет достаточно большую величину, то в качестве измерительного напряжения может быть использовано напряжение источника питания. В этом случае из устройства исключают преобразователь 5 частоты, а делитель напряжения 7 и выключатель 21 соединены непосредственно к выходу трансформатора 4 напряжения.

Реализация устройства дает возможность выполнить синхронный частот ный пуск синхронной машины с точной синхронизацией осей магнитных тгото- ков статора и ротора непосредственно в момент включения. Устройство может быть использовано при пуске ка от синхронного генератора, так и от тиристорного преобразователя частоты. В последнем случае необходимо чтобы сначала был запущен источник

0

0 5

5

0

5

0

5

питания - тиристорный преобразователь частоты, а затем посредством устройства выполнено автоматическое подключение источника питания к обмотке статора машины.

При таком.выполнении устройства для пуска синхронной машины отпадает необходимость конструктивной переработки запускаемых синхронных машин для установки на их вал вспомогательного асинхронного двигателя, которая в ряде случаев практически невозможна, например, в случае мощных генераторов электростанций, так как у агрегата отсутствует свободный конец вала, это невозможно также по условиям компоновки агрегата в машинном зале, В результате снижается стоимость оборудования для пуска.

Кроме того, исключается возможность обратного хода ротора в момент пуска, тем самым исключаются ошибки, связанные с включением машины при обратном чередовании фаз, в Том числе при пробных включениях, одно- (Значно визуально определяется направление вращения ротора.

Исключаются перенапряжения и повреждения из оляции обмотки ротора S вызванные толчком момента и броском ротора в момент включения, тем самым повышается надежность машины, Обеспечиваются плавное вхождение в синхронизм и плавное трогание с места при питании как от тиристорных преобразователей частоты, так и непосредственно от синхронных генераторов,

Ф о рм улаи 3 о б р е т е ни g

f Устройство для пуска синхронной

машины, содержащее возбудитель постоянного тока для подключения к обмотке индуктора синхронной машины, трансформатор напряжения и управляемый выключатель для подключения обмотки якоря синхронной машины к источнику переменного тока регулируемой частоты, отличающееся тем, что, с целью упрощения, введены три управляемых размыкакнцих выключателя, преобразователь напряжение - частота с выходом для подключения через первый управляемьй размыкающий выключатель к обмотке якоря синхронной машины и входом, соединенным с вторичной обмоткой трансформатора

напряжении, два делителя напряжении, вход одного из которых соединен с. выходом преобразователя напряжение - частота, а вход другого делителя напряжения - с вторичной обмоткой трансформатора напряжения, первичная обмотка которого через второй управляемый размыкающий выключатель подключена к источнику переменного тока регулируемой частоты, два управляемых ключа, информационный вход каждого из которых подключен к соответствующему выходу второго делителя напряжений, два блока памяти уровня напряжений, входами подключенные к выходам управляемых ключей соответственно, два компаратора, первые входы которых соединены с соответствующими

0

5

выходами nepFJoro делителя напряжений, а вторые входы - с выходами блоков памяти уровня напряжений, три нуль- органа, схема совпадения, усилитель, выходом подключенный к управляющим входам упомянутых выключателей, а входом - к выходу схемы совпадения, входы которой через первый и второй нуль-органы соединены с выходами соответствующих компараторов, фильтр верхних частот с входом для подключения через третий управляемый кающий выключатель к обмотке индуктора синхронной машины, выход упомянутого фильтра соединен с входом третьего нуль-органа, выходом подключенного к управляющим входам управляемых ключей.

Изобретение относится к электротехнике. Целью изобретения является упрощение. В устройство для пуска синхронной машины введены управляемые выключатели 20-22, преобразователь 5 напряжение - частота, делители 6, 7 напряжения, бесконтактные ключи 12, 13, блок памяти 14, 15, компараторы 16, 17, нуль-органы 10, 11, 9, схема совпадения И 18, усилитель 19 и фильтр 22 высоких частот. В результате обеспечивается частотный пуск статора и ротора с точной синхронизацией осей магнитных потоков статора и ротора непосредственно в момент включения. При этом не требуется установки на вал запускаемой синхронной машины вспомогательного асинхронного двигателя. 3 ил. i О

/ (JSJ

фиг. г

и

. А1 L/8f l/ci

а

срцг.З