Устройство для автоматического регулирования тока возбуждения синхронного двигателя Советский патент 1991 года по МПК H02P3/14 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для автоматического регулирования возбуждения синхронных двигателей, например главных электроприводов прокатных станов,

Цель изобретения - уменьшение потерь электрической энергии.

На фиг. 1 представлена функциональная схема устройства для автоматического регулирования тока возбуждения синхронного двигателя; на фиг. 2 - U-образные зависимости тока I статора от тока IB возбуждения, снятые при различных мощностях Pi - Р4 на валу, и кривая регулировочной характеристики синхронного двигателя при коэффициенте мощности cos p 1; ни фиг. 3 - векторы напряжений IJ2 - U4 фаз обмотки статора синхронного двигателя и линейного напряжения Уз-4 между двумя фазами обмотки статора синхронного двигателя.

Устройство для автоматического регулирования тока возбуждения синхронного двигателя 1, фазы 2-4 обмотки статора которого подключены к сети, содержит ти- ристорный возбудитель 5 для подключения к обмотке возбуждения (обмотке ротора) синхронного двигателя 1. Управляющий вход тиристорного возбудителя 5 подключен к выходу регулятора 6 тока возбуждения, вход которого соединен с выходом блока 7 сравнения. Первый (инвертирующий) вход блока 7 сравнения соединен с выходом датчика 8 тока, входом подключенного к шунту 9, включенному в цепь питания обмотки возбуждения синхронного двигателя 1.

Устройство содержит также трансформатор 10 тока с первичной обмоткой для включения в фазу 2 обмотки статора синхронного двигателя, трансформатор 11 напряжения с первичной обмоткой для подключения к фазам 3 и 4 обмотки статора, выпрямительный мост 12 и нелинейный элемент 13,-выполненный с характеристикой типа гистерезис. В устройство введены суммирующий усилитель 14 и два диода 15 и 16.

Вторичная обмотка трансформатора тока зашунтирована резистором 17 и подключена к первому входу суммирующего усилителя 14, образованному резистором 18. Вторичная обмотка трансформатора напряжения подключена к второму входу суммирующего усилителя 14, образованному резистором 19, в цепь обратной связи усилителя включен резистор 20,

Выход суммирующего усилителя подключен к входу выпрямительного моста 12, выход которого через первый диод 15, включенный в прямом направлении, подключен к второму входу блока 7 сравнения и катоду второго диода 16, анод которого соединен с выходом нелинейного элемента 13. Вход по

следнего соединен с вторым входом суммирующего усилителя 14.

Кривые 21-24 (фиг, 2) представляют собой зависимости тока I статора от тока 1в возбуждения; кривая 25 - регулировочную

характеристику синхронного двигателя,

На фиг. 3 обозначено: поз, 26 - 28 - векторы напряжений U2 - U4; 29 - вектор линейного напряжения U3-4J.30 и 31 - векторы активной составляющей | Ва и реактивной

составляющей (8р заданного тока в возбуждения, вектор которого соответствует векто- ру32.

Устройство работает следующим образом,

На первый и второй входы суммирующего усилителя 14 с вторичных обмоток трансформаторов 10 и 11 поступают синусоидальные сигналы, пропорциональные соответственно току и (в комплекснрй форме

записи синусоидальному сигналу И) фазы 2 обмотки статора и линейному напряжению U3-4 (Оз-4) между фазами 3 и 4 обмотки статора синхронного двигателя 1. На выходе суммирующего усилителя 14 формируется

напряжение, пропорциональное сумме двух названных синусоидальных сигналов, которое выпрямляется с помощью выпрямительного моста 12 и поступает на один из входов блока 7 сравнения в качестве задающего

сигнала на ток возбуждения синхронного двигателя 1. На другой (инвертирующий) вход блока 7 сравнения с выхода датчика 8 тока возбуждения поступает сигнал, пропорциональный току возбуждения.

Оптимальный (с точки зрения потерь электрической энергии) режим работы синхронного двигателя обеспечивается при cos p 1, т. е. когда двигатель работает в нижнем экстремуме U-образной характеристики (фиг. 2), например в точке А характеристики 24, снятой при мощности Р4 Рн (Рн - номинальная мощность) на валу. Как видно, в этом случае (фиг. 2) в цепи обмотки статора протекает минимальный при заданной мощности нагрузки ток I И. При изменении мощности нагрузки от Р Pi до Р Р4 точка А, соответствующая минимуму потерь электрической энергии, перемещается по кривой 25.

Оптимальная регулировочная характеристика при изменении нагрузки на валу и отклонениях напряжения сети описывается выражением

1в2 isp2 + lea2 ieo2 (у + a Xd sin Ј)2 +

+ г 1ван2, Г

где вр - реактивная составляющая тока IB возбуждения

lep Boft +aXciSinpH),(2)

lea - активная составляющая тока )в

о ва - 77 взн,(3)

У(

обеспечивающие оптимальное (с точки зрения потерь электрической энергии) регулирование тока возбуждения;

IBO - ток возбуждения холостого хода двигателя при напряжении на обмотке ста- тора, равном его номинальному значению;

ван - номинальная величина активной составляющей тока возбуждения;

ха Xd ,, -- - относительное реакифн

тивное сопротивление ротора;

1Н - номинальный ток статора;

ифн - номинальное напряжение на обмотке статора;

Хс)0м - реактивное сопротивление ро- тора по продольной оси;

рн -угол сдвига между токами и напряжениями на статорной обмотке в номинальном режиме работы;

о. Сед/Он - относительная реактивная мощность синхронного двигателя;

у Ул/илн - относительное номинальное линейное напряжение сети;

Р Рсд/Рн - относительная активная мощность, потребляемая двигателем из се- ти.

При названном законе регулирования (1) Осд 0, следовательно, а 0 и

вр ieo У.

(4)

Уравнение оптимального закона регу- лирования тока возбуждения удобно представить в виде

Пв1 УПва12+Г|вр12,

где Ива , Пвр - модули величин, описываемых соответственно зависимостями (3) и

(4).

Таким образом, при обеспечении регулирования тока возбуждения в со- ответствии с зависимостями (4) и (5) обеспечивается оптимальное (с точки зрения потерь электрической энергии) управление Синхронным двигателем при изменении нагрузки на валу и отклонениях напряжения сети. Однако непосредственная реализация зависимостей (3) - (5) является сложной, так как требует заполнения операций возведения в квадрат и извлечение квадратного корня.

5

10

..,-

20

25

зо

35

40

45

50 55

В данном устройстве операции возведения в квадрат и извлечение квадратного корня заменяются векторным, суммированием, ортогональных активной 6а и реактивной Вр составляющих тока IB возбуждения, т. е. реализуется зависимость

.(6)

В качестве задающего сигнала, пропорционального активной составляющей Ва, в устройстве используется ток i2 фазы 2 обмотки статора(г-„ ва. соответственно 2 IBS). При оптимальном регулировании обеспечивается выполнение условия cos р 1, следо- вательно, ток в фазах обмотки статора является чисто активным. Вследствие этого векторы 26 и 30

12 Ј ва(7)

на векторной диаграмме совпадают по фазе.

В трехфазной симметричной системе напряжений вектор 29 линейног9 напряжения IJ3-4 отстает от вектора 26 (U2) и. соответственно, от вектора 30 (la) на 90 эл. град. Кроме того, из выражения (5) следует, что при оптимальном регулировании величина реактивной составляющей тока возбуждения однозначно определяется уровнем напряжения сети. Следовательно, в качестве задающего сигнала для задания реактивной составляющей тока iep возбуждения может быть использовано линейное напряжение Us-4, измеряемое с помощью трансформатора 11 напряжения

РЗ-4-, 1вр.. ,(8)

соответственно Оз-4 - iep. Векторы 12 и Оз-4 (фиг. 3) ортогональны и, соответственно, задающие синусоидальные сигналы i и Уз-4 сдвинуты один относительно другого на 90 эл. град. Следовательно, в соответствии с (7) и (8), выполняя суммирование сигналов, пропорциональных г и из-4,.выполняют векторное сложение активной 1Ва и реактивной 1вр составляющих тока 1В возбуждения, т. е. обеспечивают выполнение условия (6) оптимального регулирования тока 1В возбуждения.

В устройстве сложение синусоидальных сигн алов осуществляется с помощью суммирующего усилителя 14. Формирование управляющего сигнала осуществляется с помощью выпрямительного моста 12.

Однако при значительных снижениях напряжения сети (ниже 0,85 - 0.9UH) и оптимальном регулировании тока возбуждения (1) возможно снижение устойчивости синхронного двигателя и, как следствие, выпадение из синхронизма. Кроме того, при оптимальном регулировании тока возбуждения и при значительных снижениях напряжения сети может возникнуть

увеличение тока возбуждения выше номинального уровня. Для предотвращения названных нежелательных режимов в данном устройстве предусмотрена форсировка возбуждения с помощью нелинейного элемента 13 с характеристикой типа гистерезис.

При снижении напряжения до уровня ниже 0.85UH напряжение на выходе нелинейного элемента 13 становится выше напряжения на выходе выпрямительного моста 12. Благодаря встречному включению диодов 15 и 16 на вход блока 7 сравнения проходит больший из двух сигналов, подаваемых на аноды диодов 15 и 16. Вследствие этого при снижении напряжения сети ниже 0,851)н включается форсировка, и ток возбуждений повышается до номинального уровня. Так как нелинейный элемент 13 имеет характеристику типа гистерезис, отключение форсировки происходит при напряжении сети, равном 0,9UH. Такая характеристика нелинейного элемента необходима для предотвращения частых переключений задания на ток возбуждения при напряжении сети, близком к 0,85UH. Кроме того, обеспечивается ограничение форсированного значения тока возбуждения на заданном номинальном уровне.

Устройство может быть реализовано с помощью элементов аналоговой блочной системы регуляторов.

Данное устройство отличается простотой и обеспечивает более высокое быстродействие при управлении током возбуждения синхронного двигателя по сравнению с известными. Это объясняется тем, что в нем применен один контур регулирования, что не менее чем в три раза повышает быстродействие. Вследствие этого повышается коммутационная устойчивость и, соответственно, надежность работы синхронного двигателя.

Таким образом, в устройстве обеспечивается уменьшение потерь электрической энергии при изменении нагрузки на валу синхронного двигателя и отклонениях напряжения сети в рабочем диапазоне (10 - 15% в сторону уменьшения относительно номинального значения),

Формула изобретения Устройство для автоматического регулирования тока возбуждения синхронного двигателя, содержащее тиристорный возбудитель для подключения к обмотке возбуждения синхронного двигателя, регулятор тока возбуждения, шунт для включения в

цепь питания обмотки возбуждения, датчик тока, входом подключенный к шунту, а выходом - к первому входу блока сравнения, выход которого соединен с входом регулятора тока, выходом подключенного к управляющему входу тиристорного возбудителя, трансформатор тока с первичной обмоткой для включения в одну из фаз обмотки статора синхронного двигателя, трансформатор напряжения с первичной обмоткой для подключения к двум фазам обмотки статора синхронного двигателя, выпрямительный мост и нелинейный элемент, отличающ е е с я тем, что, с целью уменьшения потерь электрической энергии, нелинейный элемент выполнен с характеристикой типа гистерезис и введены два диода и суммирующий усилитель, первый и второй входы которого соединены соответственно с вторичными обмотками трансформаторов

тока и напряжения, а выход суммирующего усилителя через выпрямительный мост и первый диод, включенный в прямом направлении, соединен с вторым входом блока сравнения и катодом второго диода, анод

которого подключен к выходу нелинейного элемента, входом соединенного с вторым входом суммирующего усилителя.

,

IS

V

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в главных электроприводах прокатных станов. Цель изобретения - уменьшение потерь электрической энергии. С этой целью в устройстве для автоматического регулирования тока возбуждения синхронного двигателя нелинейный элемент 13 выполнен с характеристикой типа "гистерезис". В устройство введены суммирующий усилитель 14 и два диода 15, 16. Катоды диодов 15, 16 подключены ко второму входу блока 7 сравнения. Анод диода 15 соединен с выходом выпрямительного моста 12, а анод диода 16 с выходом нелинейного элемента, вход которого объединен с одним входом суммирующего усилителя 14 и подключен к вторичной обмотке трансформатора 11 напряжения. Другой вход суммирующего усилителя подключен к вторичной обмотке трансформатора 10 тока. Устройство обеспечивает оптимальный режим работы синхронного двигателя при изменениях его нагрузки. Благодаря нелинейному элементу 13 обеспечивается устойчивая работа синхронного двигателя, т. к. при значительных снижениях напряжения сети предусматривается форсировка возбуждения с ограничением форсированного значения тока возбуждения. 3 ил.

/Л

,26 fa) ,

&(ig)

У/