Способ точной автоматической синхронизации синхронного двигателя, питаемого от преобразователя частоты с инвертором тока, с сетью переменного тока промышленной частоты Советский патент 1992 года по МПК H02J3/40 H02J3/42 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для реализации точной автоматической синхронизации синхронных двигателей (СД), питаемых от статических (тири- сторных) преобразователей частоты (ПЧ) по схеме вентильного двигателя (ВД) и приводных синхронных двигателей рабочих механизмов (в том числе турбогенераторов) с тяжелыми условиями пуска, для чего используются специальные полупроводниковые пусковые устройства с зависимыми инверторами тока (ИТ), в которых коммутация вентилей ИТ осуществляется в такт с вращением ротора СД. т.е. по принципу ВД

1744755

Использование: в электротехнике, в устройствах точной автоматической синхронизации синхронных двигателей питаемых Л ti 1 : jieaJ 3 W- и ъ&8№ от преобразователей частоты по схеме вентильного двигателя, с сетью переменного тока промышленной частоты. Сущность изобретения: синхронный двигатель (СД) при питании от преобразователя частоты (ПЧ) работает с режиме вентильного двигателя. Управление инвертором тока ПЧ производят импульсами, частоту и фазу которых задает датчик положения ротора СД. Сравнивают частоту этих импульсов с частотой сети, при совпадении частот подключают статорную обмотку СД к сети, шунтируя ПЧ и регулируют фазу импульсов управления инвертором путем регулирования возбуждения СД до величины угла вылета ротора вс вычисленного по формуле при фиксированном значении выходного тока инвертора Ис, соответствующего cto . и при в Ос. при значении выходного тока инвертора, равного Ис, запирают вентили ПЧ. а затем отключают его от сети и от СД. Достигаемая при этом цель - осуществление бестолчкового режима вхождения синх- ронного двигателя в синхронизм, исключающего колебательные процессы, улучшающего качество динамических характеристик переходного режима, повышающего надежносто синхронизации крупных синхронных машин. 2 ил. (Л С г 51 СЛ

Известен способ и устройство точной автоматической синхронизации вентильного двигателя с сетью, включающее узлы измерения напряжения сети (Uc) и ЭДС вращения синхронного двигателя (Е). На ба- зе этих сигналов логическая часть схемы устройств осуществляет автоматическое регулирование скорости и тока возбуждения непосредственно ВД для обеспечения необходимых (по данному способу) начальных условий, предшествующих фазе синхронизации с сетью, а именно достижения околосинхронной скорости () равенства амплитуд векторов напряжения сети и ЭДС вращения и минимально возможного значе- ния угла вылета ротора СД (угла нагрузки в, в -Ч)), т.е. синхронизации в окрестностях холостого хода синхронного двигателя. При этом предусматривается временная задержка выдачи управляющего сигнала на пере- ключение питания СД от полупроводникового преобразователя на сеть.

Органическим недостатком этого способа синхронизации являются нулевые начальные условия, реализуемые в структуре ВД устройством, которые однако при переходе (переключении) к структуре СД соответствующей естественной схеме включения последнего, становятся неудовлетворительными для бестолчковой синхрониза- ции, исключающей колебания электромеханических переменных (тока статора, угла вылета и скорости ротора) в процессе втягивания СД в синхронизм.

Вентильный двигатель в противополож- ность синхронному (в естественной схеме включения) является полностью управляемой электрической машиной, скорость вращения которой аналогично двигателю постоянного тока независимого возбужде- ния определяется (при данном токе возбуждения) напряжением на входе инвертора тока, а средний электромагнитный момент по той же аналогии - током якоря (И) и магнитным потоком (потокощеплением i/ь ) обмотки возбуждения

M |pnVbHmCos(0+/3i-|). (1)

Возможность независимого задания и регулирования потокощепления ротора и угла опережения отпирания вентилей инвертора ( ) обеспечивает регулирование электромагнитного момента М и скорости МВД.Этим достигается желаемый алгоритм режима, предшествующего непосредственному периоду синхронизации СД с сетью.

После переключения питания статор- ной обмотки от преобразователя на сеть

синхронный двигатель становится полууправляемым, так как скорость магнитного поля ш0 теперь не зависит от тока ИТ и определяется частотой питающей сети, а развиваемый электромагнитный момент определяется выражением

м-3РпиЦо

2 Шо Ха

sin в (2)

Вследствие убывания синхронизирующего момента при в электромеханической системе в окрестностях околосинхронной скорости, которому соответствуют условия Зная 0; #Нач 0, неизбежно возникновение электромеханических колебательных процессов ротора.

Эти колебательные процессы неустранимы посредством перевозбуждения СД, они обуславливают большие броски тока в сети, удары в механических передачах и являются одной из главных причин усталостного перенапряжения металла валов крупных синхронных машин, приводящего к поломкам.

Таким образом, известный метод синхронизации и устройство, реализующее этот метод, не исключает общеизвестные недостатки, присущие грубому способу синхронизации, для которого характерны колебательные процессы, нередно заканчивающиеся неудачной синхронизацией. Наличие узла временной задержки не дает гарантий синхронизации при затянувшемся процессе синхронизации,так как установка этой временной задержки определяется эмпирически и не корректируется при изменении начальных условий пуска.

Наиболее близким к предлагаемому яв- ляется способ синхронизации СД системы вентильного двигателя с сетью, включающий управление инвертором тока импульсами, частоту и порядок следования которых задает датчик положения ротора.

Схемой устройства осуществляется сравнение частоты и фазы этих импульсов и импульсов, формируемых из напряжения сети постоянной частоты. При совпадении частот и фаз сравниваемых сигналов производится включение выключателя, шунтирующего ПЧ и одновременно подключающего статорную обмотку СД к питающей сети. После снижения тока в выходной цепи ИТ до нуля выключатели на выходе и входе ПЧ отключаются, выводя из работы ПЧ и исключая тем самым бестоковую паузу в цепи статора СД, что имеет место в предыдущем устройстве синхронизации.

Недостатком этого способа синхронизации также является неизбежность колебаний ротора в период синхронизации с сетью вследствие несовпадения (несогласованности) угловых характеристик ВД и СД, проявляемого при переходе от динамической структуры ВД на динамическую структуру СД. При этом сформированные в структуре ВД начальные условия, а именно а) (Оо и в 0 при переходе на структуру СД вызывают возмущения, влияя тем самым на величину амплитуды и на фазу колебаний ротора, несмотря на неизменность динамических параметров механической части электропривода.

Таким образом, способы синхронизации и реализующие их устройства имеют один и тот же недостаток, заключающийся в том, что эти способы и, соответственно, устройства и учитывают разную степень чувствительности динамических структур ВД и СД к начальным условиям синхронизации и поэтому не обеспечивают их надлежащее формирование, исключающее толчковый режим с последующими колебательными процессами в фазе синхронизации СД с сетью.

Целью изобретения является осуществление бестолчкового режима вхождения СД в синхройизм, исключающего колебательные процессы, улучшающего качество динамических характеристик переходного режима, повышающего надежность процесса синхронизации крупных синхронных машин с сетью, за счет определения угла нагрузки вс синхронного двигателя (в окрестностях скорости холостого хода), работающего в режиме ВД и сохранении условия #нач Ос как начального при переключении ВД на СД.

Поставленная цель достигается технической реализацией нового способа синхронизации, заключающегося в определении в окрестности скорости холостого хода, совпадающего с синхронной СД, тока нагрузки (Не) и соответствующего ему угла нагрузки вс синхронного двигателя с последующим переключением СД из структуры ВД на структуру СД при сохранении этих же условий как начальных, а именно

нач Не нач GT .,

Тогда переходный период синхронизации СД с сетью протекает при условии а (t) Wo const и в (t) #c const.

Для технической реализации способа синхронизации на основе управления инвертором тока ПЧ импульсами, частоту и

порядок следования которых задает датчик положения ротора ДПР (см.фиг.1), сравнения частоты и фазы этих импульсов и импульсов, формируемых напряжением чсети,

включением выключателя, шунтирующего ПЧ и одновременно соединяющего статор- ную обмотку СД с сетью, запирающим в начале, а затем отключающим ПЧ от сети и от зажимов СД, дополнительно измеряются

производная скорости приводного двигателя и величина выходного тока инвертора при одновременном измерении действующих значений напряжения сети и ЭДС вращения двигателя, находят произведение

напряжения и ЭДС, кроме того, фиксируют (запоминают) величину тока ИТ - Нс в момент времени, когда производная скорости СД по времени равна нулю ( d w/dt 0), а фаза между импульсами, сформированными напряжением сети, и импульсами управления инвертора посредством ДПР стабилизируется при вычисленном значении угла нагрузки ротора, обусловленного внешней нагрузкой на валу:

Я К 1j)0 1с а , У Ъ и, Р- +о

Ui E

(3)

где Не - действующее значение выходного

тока ИТ при 0;

угол отпирания вентилей ИТ, задаваемый системой управления;

Ui, Ео - действующее значение напряжения сети и ЭДС вращения СД;

к - конструктивный коэффициент ВД;

У KiHc - угол коммутации инвертора ВД;

потокосцепление ротора ВД;

KI - коэффициент пропорциональности.

В момент времени, когда частота импульсов, сформированных напряжением сети, и частота импульсов управления ИТ равны между собой, т.е. ш (t) ш, а сдвиг фаз между этими импульсами равен измеренному в ( t ) подключают обмотку статора СД дополнительно к сети постоянной частоты. Сигналы возникшего рассогласования между измеренными и вычисленными углами вылета ротора используются для автоматического регулирования выходного тока инвертора и тока возбуждения СД, следовательно, электромагнитного момента двигателя с целью подгонки (выравнивания) этих углов друг к другу и достижении условия

h(t)l 1с при cto/dt 0.

При одновременной реализации этих условий ток в выходной цепи инвертора спадает до нуля и преобразователь отключается с двух сторон - от сети и от синхронного двигателя.

Предлагаемый способ позволяет реализовать закон, обеспечивающий бестолчковую синхронизацию путем предваритель- ного регулирования угла сдвига фаз $(t) между напряжением сети и ЭДС вращения СД до достижения значения 9с, Для этого дополнительно измеряется производная скорости СД и ток нагрузки двигателя и фик- сируется его значение в момент стабилизации угла нагрузки в вс, Этому моменту и соответствует нулевая производная скорости вала СД. Таким образом, введение указанных двух новых операций обуславливает выравнивание координат рабочих точек угловых характеристик последних (Мс,$с ) в момент изменения динамических структур единой электромеханической системы. Это, в свою очередь, исключает чувствитель- ность угла вылета ротора к изменениям динамических структур системы и тем самым обеспечивает бестолчковый процесс перекоммутации обмоток статора СД от ПЧ на сеть.

Способ точной автоматической синхронизации синхронного двигателя, питаемого от преобразователя частоты с инвертором тока, с сетью переменного тока промышленной частоты осуществляется устройством.

На фиг. 1 приведена функциональная схема устройства; на фиг. 2 - диаграммы сигналов, иллюстрирующие алгоритм реализации данного предлагаемого способа синхронизации.

Устройство (фиг.1) включает синхронный двигатель 1, снабженный статическим возбудителем 2 с системой управления и с регулятором тока возбудителя 3, подключаемый с помощью первого коммутационного аппарата (масляного выключателя) 4 к полупроводниковому преобразователю с инвертором тока 5, второй коммутационный аппарат 6, посредством которого система электропривода с вентильным двигателем (либо предназначенный для синхронизации и запускаемый устройством 5 синхронный генератор) подключается к сети переменного тока промышленной частоты, третий ком- мутационный аппарат 7, подающий напряжение сети к статорным обмоткам двигателя и тем самым реализующий переключение СД от преобразователя 5 на питающую сеть промышленной частоты, полупроводниковый преобразователь со звеном постоянного тока, состоящий из управляемого выпрямителя и инвертора тока, снабженный соответствующими системами 8 и 9 управления, связанными с регулятором

10 скорости, с датчиком 11 скорости и датчиком 12 положения ротора двигателя соответственно, узлы измерения с измерительными трансформаторами 13 напряжения сети и ЭДС вращения синхронного двигателя 14, формирователи импульсов напряжения сети 15 и тактовых импульсов ИТ 16, блок 17 оперативного управления и регулирования собственно вентильным двигателем с ко- мандоаппаратом выбора режима работы СД с функцией его синхронизации.

Элементы 1-17 в состав устройства, реализующего предлагаемый способ, не входят и приведены для пояснения принципа осуществления нового способа синхронизации.

Устройство, реализующее предлагаемый способ синхронизации, содержит функциональные преобразователи: измеритель частоты 18 и измеритель фазы 19, компаратор 20, нуль-орган 21, первый логический элемент И 22, регулятор 23 фазы, узел 24 включения (выключения) коммутационного аппарата 7, блок умножения напряжения сети и ЭДС вращения синхронного двигателя 25, блок 26 деления, дифференцирования 27, второй нуль-орган 28, запоминающий элемент 29, датчик 30 выходного тока инвертора или тока статора, компаратор 31, второй логический элемент И 32, блок подачи импульсов, запирающих выпрямитель, и инвертор, функционирующий по логике И 33, узел отключения (включения) 34 коммутационных аппаратов 4 и 6, сумматор 35 и блок 36 задания угла опережения отпирания вентилей инвертора , первый 37 и второй 38 коммутаторы, причем измеритель 13 напряжения соединен с первым входом блока 25 умножения, второй вход которого соединен с входом узла измерения ЭДС вращения 14, а выход - с вторым входом блока 26 деления, выход которого соединен с первым входом сумматора 35, второй вход которого соединен с первым входом блока 26 деления, вторым входом компаратора 31 и с выходом запоминающего элемента 29. Третий вход сумматора 35 связан с выходом блока 36 задания угла опережения отпирания вентилей инвертора, выход сумматора 35 соединен z первыми входами регуляторов фазы 23 и тока возбуждения 3, вторые входы которых соединены с выходом измерителя фазы 19 и первым входом компаратора 20, втооой вход которого соединен с выходом сумматора 35, а выход - с первым входом первого логического элемента И 22, к второму входу которого через первый нуль-орган 21 подключен измеритель 18 частоты. Выход логического элемента И 22 подключен к первому входу второго логического элемента И 32 и

к узлу 24 включения коммутационного аппарата 7, выход нуль-органа 21 подключен к управлению первым коммутатором 37 между выходом регулятора фазы 23 и вторым входом регулятора скорости 10, вторым коммутатором 38 - между регулятором 3 тока возбуждения и возбудителем 2. Первые входы измерительной частоты 18 и фазы 19 подключены к выходу формирователя 15 импульсов напряжения сети, а вторые входы - к выходу формирователя 16 тактовых импульсов инвертора тока, вход которого соединен с выходом системы управления инвертором 9, третий вход которого соединен с вторым входом системы управления выпрямителем 8 и выходом блока 33 подачи запирающих импульсов, первый вход которого соединен с входом узла 34 отключения коммутационных аппаратов 4 и 6, а второй - с выходом компаратора 31, первый вход которого подключен к выходу датчика 30 тока статора и к первому входу запоминающего элемента 29, второй вход которого через нуль-орган 28 и блок 27 дифференцирования подключен к датчику 11 скорости.

Электромеханическая система, приводимая во вращение посредством синхронного двигателя 1, питаемого от преобразователя 5 и управляемого блоком 17, например комплектная система ПЧВС, по команде из регулировочного режима переводится в режим синхронизация.

Устройство (фиг. 1), вводимое в 17, формирует управляющее воздействие на регуляторы скорости и тока возбуждения, определяет момент достижения синхронной скорости, выдает команду на включение коммутационного аппарата, подключающего обмотки статора СД дополнительно на питающую сеть постоянной частоты, далее продолжая воздействие на регулятор скорости и тока возбуждения, устройство фиксирует момент наступления условий бестолчковой синхронизации и выдает команду на запирание ПЧ и на коммутационные аппараты, отключающие преобразователь от сети и от зажимов синхронного двигателя.

В период же работы системы в регулировочном режиме венртильного двигателя устройством 17 вводится в действие регулятор 3 тока возбуждения и регулятор 10 скорости. Последний, воздействуя на систему 8 регулирования выпрямленного тока, стремится установить скорость двигателя равной заданной или, если предусмотрена синхронизация, то синхронной, а регулятор 3 тока возбуждения обеспечивает потребный электромагнитный момент, что, в свою очередь, обуславливает определенный угол

между пространственными векторами напряжения сети и ЭДС вращения, т.е. угол 9С. В окрестностях синхронной скорости используются сигналы измерителя частоты,

соответственно, тока (напряжения) сети и синхронной машины 18 и измерителя сдвига фаз между этими сигналами 19, сигналы от последних измерителей посредством компаратора 20 и нуль-органа 21 преобразуются во входные сигналы первого логического элемента И 22. Элементы И 22 фиксирует момент наступления точного совпадения частот тока сети и выходного тока инвертора и выдает сигнал на узел 24 шунтирующего преобразователь коммутационного аппарата (масляного выключателя) 7 с одновременной выдачей сигнала на второй логический элемент И 32. Происходит включение аппарата 7, подключающего обмотки

статора СД 1 к зажимам питающей сети.

Одновременно в период описанной стадии подготовки к полной синхронизации СД с сетью автоматически вступает в работу от сигналов рассогласования измеренного и

вычисленного углов вылета ротора канал, воздействующий на регулятор 23 фазы и регулятор 3 тока возбуждения. При одновременном воздействии на скорость СД по каналу 23-10-8 и на ток возбуждения по

каналу 3-2 обеспечивается подгонка текущего угла вылета в (t) к требуемому углу нагрузки ротора вс соответствующего моменту сопротивления на валу Мс.

Для выполнения этого условия, при котором обеспечивается полное совпадение рабочих точек угловых характеристик синхронной машины, работающей как в режиме вентильного двигателя, так и в режиме естественного включенного синхронного двигателя, автоматически вступает в работу система вычисления угла нагрузки ротора

6k.

Эта система состоит из блока 25 умножения, определяющего произведение сигналов, выдаваемых измерителями 13 напряжения сети и ЭДС двигателя 14, запоминающего элемента 29, фиксирующего ве- личину статорного тока двигателя, измеренного датчиком 30 тока в момент

равенства нулю производной угловой ско- рости ротора, определяемой дифференцирующим звеном 27, подключенным к зажимам тахогенератора 11 и блока 26 деления и сумматора 35, сигнал на выходе

которого пропорционален углу нагрузки, так как в 26, 25 и 35 реализуется операция определения угла нагрузки по (3).

При выполнении условий /dt 0, т.е. а а)с const и, следовательно, h(t) hc

полностью достигается условие, гарантирующее бестолчковый перевод питания СД от сети, так как второй сигнал на вход второго логического элемента И 32, получаемый через компаратор 31 от датчика 30 тока стато- ра и указывающий, что со (л)0: д( t) $с, обеспечивает реализацию логической операции И. Выходной сигнал элемента 32 вызывает срабатывание ключа, запирающего выпрямитель и инвертор сигнала 33, мгно- венно запирающий преобразователь 5.

Одновременно при действии выходного сигнала логического элемента 32 узлом 34 включения выдается сигнал на коммутацию аппаратов (масляных выключателей) 4 и 6, гг яючаюших преобразовательный агрегат 5 or сети и от зажимов синхронного двигателя. Наступает режим сетевого питания СД, при котором потребная мощность, определяемая рабочей точкой угловой харак- теристики, остается неизменной, что позволяет достигнуть цели изобретения.

На фиг. 2 представлены временные диаграммы работы устройства. В момент, когда производная скорости на выходе блока дифференцирования равна нулю (диаграмма б), нуль-орган 28 воздействует на запоминающий элемент 29, который запоминает значение тока lic-l)29, полученное на выходе датчика 30 тока инвертора (диаграмма в). С помощью измерителей напряжения сети 13 и ЭДС 14, а также блоков умножения 25, деления 26 и сумматора 35 согласно выражению (3) определяется угол вс (диаграмма г) нагрузки ротора СД 1 с моментом сопро- тивления Мс на валу. Измеритель 18 частоты сравнивает частоту импульсов формирователя напряжения импульсов напряжения сети 15 (д) и тактовых импульсов инвертора 16 (е) и в случае их равенства на его выходе формируется нулевое напряжение Die (диаграмма ж), которое вызывает срабатывание нуль-органа 21 (диаграмма з). последний формирует логическую единицу и подключает через коммутаторы 37 и 38 регуляторы фазы 23 и тока возбуждения 3. автоматически стабилизирующие величину фазы между импульсами напряжения и тактовыми импульсами в(), При достижении фазы между этими импульсами, равной вс срабатывает компаратор 20 и, если при этом частота сети соответствует частоте вращения ротора, т.е. угловая скорость ротора равна синхронной, на выходе элемента И 22 формируется логическая единица (диаграм- ма и), воздействующая на узел 24 включения, подключая через выключатель 7 двигатель 1 к сети. После этого стабилизация фазы между импульсами напряжения сети и теперь уже импульсами ЭДС вращения СД осуществляется по каналу возбуждения задающей величиной которого является вычисляемый угол нагрузки вс .

Процесс стабилизации осуществляется до тех пор, пока напряжение на выходе датчика 30 тока, не будет равно напряжению на выходе запоминающего элемента 29. При этом на выходе второго логического элемента И 32 формируется логическая единица, которая перед отключением преобразователя от сети коммутационным аппаратом 6 и от синхронного двигателя - коммутационным аппаратом 4, также управляемые элементом И 32 через узел 34 отключения, через блок запирающих импульсов, запирает выпрямитель и инвертор преобразователя 5.

Формула изобретения Способ точной автоматической синхронизации синхронного двигателя, питаемого от преобразователя частоты с инвертором тока, с сетью переменного тока промышленной частоты, в котором управление инвертором тока производят импульсами. сравнивают их частоту и фазу с импульсами, формируемыми напряжением сети, при их совпадении подключают статорную обмотку синхронного двигателя к сети, запирают вентили преобразователя частоты, а затем его отключают от сети и от синхронного двигателя, отличающийся тем, что, с целью осуществления бестолчкового режима вхождения синхронного двигателя в синхронизм, исключающего колебательные процессы, улучшающего качество динамических характеристик переходного режима, повышающего надежность синхронизации крупных синхронных машин с сетью, измеряют скорость двигателя, вычисляют ее производную, измеряют величину выходного тока инвертора с, напряжение сети Ui и ЭДС вращения двигателя Е0, фиксируют величину тока инвертора lie, в момент времени, когда производная скорости двигателя , d а) л ч

равна нулю (-ту 0 вычисляют величину

угла вылета ротора вс синхронного двигателя при скорости холостого хода при его питании от преобразователя частоты по формуле

a. куьнс Ј

Uc Hi Р„ /)1 9

UiE

где Iic - выходной ток инвертора при -г

0;

Ui - напряжение сети;

ЕО - ЭДС вращения двигателя;

К ipo- постоя иная, определяемая техническими данными синхронного двигателя, соответствующая току холостого хода;

отпирания вентилей инвертора тока, задаваемый системой управления;

у- угол коммутации инвертора, у Кг he,

где KI - коэффициент пропорциональности, при совпадении частот импульсов напряжения сети и управления инвертором тока производят регулирование угла в (t) между

0

этими импульсами путем регулирования тока возбуждения синхронного двигателя и выходного тока инвертора, при достижении углом Означения, равного вс и совпадении частот импульсов производят подключение обмотки статора синхронного двигателя к сети, а запирание вентилей преобразователя частоты, отключение его от сети и от синхронного двигателя производят при условии равенства угла углу Ос и значении выходного тока инвертора Ис соответствующего cto/dt 0.

a UM

S U

д %

и)с

Фиг. 2