СИСТЕМА ВОЗБУЖДЕНИЯ АСИНХРОНИЗИРОВАННОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ

Область техники
Полезная модель относится к управлению электрическими машинами переменного тока и, в особенности, к системам возбуждения электрических машин двойного питания большой мощности (десятки и сотни МВт). Такие машины в технической (отечественной и зарубежной) литературе носят название асинхронизированных машин (АСМ). Они способны работать синхронно с сетью при частоте вращения отличной от синхронной и могут использоваться в качестве генератора, двигателя, компенсатора реактивной мощности и кратковременных колебаний активной мощности. Решаемая проблема относится к управлению пуском и торможением АСМ и особенно актуальна для компенсаторов, ветро- и гидрогенераторов.
Уровень техники
Известно устройство асинхронного пуска электрической машины, которое на время пуска вводит в цепь обмоток ротора активные сопротивления для получения активной составляющей тока ротора, создающей электромагнитный момент вращения [пат. RU 2101843].
Недостаток этого аналога - низкая технико-экономическая эффективность, обусловленная необходимостью иметь дополнительное пусковое оборудование (в виде мощных активных сопротивлений), используемые только во время пуска, а также значительными потерями энергии в пусковых сопротивлениях и проблемами с отводом тепла от них, возникающими в случае пуска или торможения машин большой мощности.
Известна система возбуждения машины двойного питания, которая содержит преобразователь частоты, питающий обмотки ротора, и устройство управления с датчиком скорости вращения ротора, выполненное с возможностями вычисления частоты и фазы ЭДС скольжения, наводимой в обмотках ротора вращающимся магнитным полем статора, и подачи на управляющий вход преобразователя частоты напряжения регулируемой амплитуды, частота которого равна частоте скольжения, а направление встречно ЭДС скольжения [пат. RU 2076450]. Это устройство выбрано в качестве прототипа.
Недостаток прототипа - малый разгонный или тормозящий электромагнитный момент на валу машины при ее пуске или торможении и, соответственно, большое время запуска или останова.
Раскрытие существа полезной модели
Техническим результатом полезной модели является обеспечение мобильного (ускоренного) пуска и торможения электрической машины двойного питания, например АСМ большой мощности, без использования дополнительного пускового или тормозного оборудования.
Предметом полезной модели является система возбуждения асинхронизированной электрической машины, содержащая преобразователь частоты, питающий обмотки ротора, и устройство управления, к входам которого подключены выходы датчиков напряжения статора и положения ротора, а к выходу - управляющий вход преобразователя частоты, при этом устройство управления выполнено с возможностями определять частоту и фазу ЭДС скольжения, наводимой в обмотках ротора вращающимся магнитным полем статора, и формировать на управляющем входе преобразователя частоты сигнал с регулируемой амплитудой, частотой, равной частоте скольжения, и фазой, сдвинутой относительно фазы ЭДС скольжения на заданный угол в сторону опережения при пуске и в сторону отставания при торможении электрической машины.
Это позволяет получить указанный выше технический результат.
Уточняющее развитие полезной модели состоит в том, что заданный угол сдвига составляет 80÷100 электрических градусов.
Краткое описание фигур чертежей.
На фиг.1 показана общая схема АСМ с системой возбуждения, подключенной к обмоткам ротора.
На фиг.2 показана блок-схема, иллюстрирующая работу и возможный вариант осуществления заявляемой полезной модели.
На фиг.3 представлена векторная диаграмма роторной цепи АСМ в режимах пуска и торможения.
Осуществление полезной модели
Показанная на фиг.1 система возбуждения, содержит преобразователь 1 частоты, питающий обмотку ротора 2 АСМ, и устройство 3 управления, к входам которого подключены выходы датчика 4, напряжения статора 5 АСМ и датчика 6 положения ротора 2, а к выходу - управляющий вход преобразователя 1. Обмотки ротора 2 и статора 5 трехфазные. Обмотка ротора 2 подключена к выходу преобразователя 1 частоты, а обмотка статора 5 подключена к сети переменного тока через выключатель 7 и блочный трансформатор 8. Питание преобразователя 1 осуществляется от согласующего трансформатора 9. На фиг.1 показана также турбина 10 (например, ветровая или гидравлическая).
г
дпр
fo
Устройство 3 управления условно показано на фиг.1 в виде двух блоков. Блок 11 управляет преобразователем 1 в режиме обычной работы (т.е. в соответствии с технологическими требованиями), а блок 12 - в режимах пуска и торможения. Переключение управляющего входа преобразователя 1 между выходами блоков 11 и 12 осуществляет ключ 13. В блок 12 по двум двухпроводным цепям поступают от датчика 4 и датчика 6 ортогональные составляющие сигнала U, характеризующие вектор напряжения статора 5 и сигнала U, характеризующего вектор положения ротора 2. Устройство управления 3, формирует трехфазный сигнал µU на управляющем входе преобразователя 1.
f
fo
Частота, амплитуда и фаза трехфазного напряжения U, подаваемого преобразователем 1 на обмотку ротора 2, однозначно задается соответствующими параметрами сигнала µU.
Преобразователь 1 может быть выполнен по схеме инвертора напряжения с широтно-импульсной модуляцией на IGBT-модулях, IGCT тиристорах или GTO-тиристорах и должен обеспечивать рабочую полосу частот выходного напряжения в диапазоне от частоты сети (например, 50 Гц) до нуля.
Работа системы описывается ниже с помощью схемы на фиг.2, отражающей функциональное содержание блока 12 устройства 3 управления. На практике устройство 3 управления может быть реализовано на базе одного или нескольких программируемых контроллеров.
Трехфазное напряжение, поданное на обмотку статора 5 выключателем 7 наводит ЭДС скольжения в обмотках ротора 2. Частота ЭДС скольжения равна разности частоты вращения трехфазного магнитного поля статора 5 и частоты вращения ротора 2.
г
дпр
o
Устройство управления 3 определяет частоту и фазу ЭДС скольжения в блоке 14, состоящем из блоков 15 и 16. Блок 15 предварительно формирует из ортогональных составляющих напряжения U и сигнала U ортогональные составляющие их разностной частоты (равной частоте Ω скольжения), которые затем нормируются по амплитуде блоком 16. В результате на выходе блока 14 формируется нормированное опорное напряжение U, частота и фаза которого совпадают с соответствующими параметрами ЭДС скольжения.
o
oα
oα
Блок 17 (фазовращатель), в состав которого входят блоки 18 и 19, сдвигает фазу опорного напряжения U на задаваемый угол α и выдает ортогональные составляющие сдвинутого напряжения U. Для этого блок 18 (функциональный преобразователь) предварительно формирует константы sinα и cosα, с помощью которых блок 19 формирует ортогональные составляющие сдвинутого напряжения U
Преобразования ортогональных составляющих в блоках 15 и 19 выполняются в соответствии с известными математическими формулами для тригонометрических функций разности и суммы аргументов.
Заданное значение угла α поступает на вход блока 17 из блока 20 задания фазы, в состав которого входят переключатель 21 и блок 22.
п
т
Переключатель 21 подает в блок 19 значение угла α, обеспечивающее сдвиг фазы в сторону опережения (α=α) или отставания (α=α) в зависимости от выбранного режима пуска или торможения. Блок 22 в составе блока 20 осуществляет необходимое демпфирование изменений угла α, учитывающее инерционность протекающих электромеханических процессов.
oα
п
т
В блоке 23, в состав которого входят блоки 24, 25 и 26, вырабатывается трехфазное напряжение заданной амплитуды, управляющее преобразователем 1. Это напряжение формируется блоком 24 (блок преобразования числа фаз) из ортогональных составляющих сдвинутого напряжения параметров опорного вектора U, умножаемых в блоках-модуляторах 25 и 26 на скалярную величину µ. Задание µ в соответствии с требуемой тахограммой M(t) пуска или торможения осуществляет блок 27, состоящий аналогично блоку 20 из переключателя 28 и демпфирующего блока 29. В общем случае тахограммы (т.е. временные зависимости момента М) для пуска M(t) и торможения M(t) могут задаваться различными (например, плавный пуск и экстренное торможение). Величина µ может изменяться в пределах 0-1.
oα
В результате блок 3 формирует на выходе блока 24 трехфазный сигнал µU, который поступает на управляющий входе преобразователя 1.
oα
f
oα
п
п
В соответствии с трехфазным сигналом µU, сформированным устройством 3 (см. фиг.1), преобразователь 1 подает на обмотку ротора 2 трехфазное напряжение U с частотой Ω скольжения и амплитудой, равной µUК, где К - коэффициент усиления преобразователя 1 по напряжению, который определяется параметрами его силовой схемы и обмотки возбуждения АСМ.
Векторная диаграмма на фиг.3 иллюстрирует процессы в роторной цепи при пуске и торможении (пунктиром). Активное сопротивление обмоток ротора считается пренебрежимо малым.
На фиг.3 обозначено:
f
fA
f
I - ток в обмотке ротора, I - активная составляющая тока I;
f
U - выходное напряжение системы возбуждения, подаваемое преобразователем 1 на обмотку ротора 2;
f
E - ЭДС скольжения, наведенная вращающимся полем статора в обмотке ротора;
f
x - эквивалентное индуктивное сопротивление роторной цепи;
Σ
Σ
f
f
U - суммарное напряжение на обмотке ротора (U=Ix)
α, β, γ - углы между векторами.
f
f
п
т
Напряжение U (см. фиг.3) сдвинуто по фазе относительно ЭДС скольжения E на заданный угол α в сторону опережения при пуске (при этом α=α) или в сторону отставания (пунктир) при торможении (при этом α=α).
f
Σ
f
fA
f
f
f
f
fA
f
fA
f
Вектора I и U ортогональны, поскольку сопротивление роторной обмотки x имеет практически чисто индуктивный характер. В этом случае, как видно из векторной диаграммы на фиг.3, ток I, которому пропорционален пусковой или тормозящий момент на валу ротора, представляет собой проекцию тока I на направление E. Если вектор U опережает E, то ток I совпадает по направлению с наводимой ЭДС E, и, следовательно, создает пусковой (разгонный) момент, а если - отстает, то ток I и E направлены встречно и создаваемый момент - тормозящий.
fA
f
f
fA
Из векторной диаграммы видно, что ток I максимален при угле α между векторами E, и U близком к 90°. Максимальное значение тока I обеспечивает, соответственно, максимальный момент (пусковой или тормозящий) на валу ротора. Поэтому предпочтительное значение угла α близко к 90° и лежит в пределах 80÷100 электрических градусов. Это также подтверждено расчетно-аналитическими и экспериментальными исследованиями, проведенными на компьютерной модели.