УСТРОЙСТВО ВЕКТОРНО-ИМПУЛЬСНОГО ПУСКА СИНХРОННОЙ МАШИНЫ С ОБМОТКОЙ ВОЗБУЖДЕНИЯ

Полезная модель относится к области электротехники и может быть использована для улучшения пусковых характеристик синхронного двигателя в режимах пуска.
Известно устройство плавного пуска [Ткачук А., Кривовяз В., Тиристорный преобразователь для плавного пуска высоковольтных асинхронных двигателей // Силовая Электроника 2007. №1, С. 16-20.], которое по технической сущности и достигаемым результатам является наиболее близким аналогом (прототипом) к предлагаемой полезной модели. Недостатком данного устройства является использование тиристорного коммутатора, состоящего из большого числа высоковольтных управляемых тиристоров, что значительно удорожает пусковую установку. При этом пуск осуществляется по принципу фазового управления, которому характерны определенные недостатки: искажение формы напряжения в питающей сети, большой коэффициент пульсаций выходного напряжения, низкий коэффициент мощности.
В связи с этим, задачей изобретения явилось повышение технико-экономических показателей пускового устройства путем уменьшения количества управляемых полупроводниковых вентилей и улучшения пусковых характеристик двигателя.
Решение поставленной задачи достигается тем, что устройство векторно-импульсного пуска синхронной машины с обмоткой возбуждения, содержащее трехфазный полупроводниковый мост, два датчика напряжения и два датчика тока, сигналы с которых подаются на микроконтроллер, согласно полезной модели содержит один полностью управляемый силовой ключ на стороне постоянного тока трехфазного полупроводникового моста, состоящий из нерегулируемых полупроводниковых диодов, управление которым осуществляется по принципу векторно-импульсного управления.
Требуемый технический результат достигается тем, что тиристорный коммутатор заменяется на неуправляемый трехфазный полупроводниковый мост, способ подключения которого показан на фиг. 1. Сторона постоянного тока моста подключается к силовому полупроводниковому ключу. Управление, которым осуществляется импульсно по широтно-импульсному принципу. Система управления устройства работает по принципу векторного управления.
Задача решается тем, что устройство состоит из трехфазного неуправляемого полупроводникового моста, сторона переменного тока, которого подключена к обмотке статора, а на стороне постоянного тока установлен управляемый полупроводниковый вентиль в виде транзисторного ключа, на управляющий вход которого поступает высокочастотный широтно-модулированный сигнал с выхода блока векторно-импульсного управления. Блок управления формирует управляющий сигнала и подает его на силовой ключ в моменты времени, когда вектор потокосцепления ротора и статора образуют положительный вращающий момент.
Такое техническое решение, в сочетание с векторно-импульсным управлением, позволяет повысить эффективность пуска за счет уменьшения влияния отрицательных пиков момента при пуске синхронного двигателя.
Устройство векторно-импульсного пуска синхронной машины с обмоткой возбуждения, функциональная схема которого приведена на фиг. 1, включает трехфазный неуправляемый полупроводниковый мост 1, сторона переменного тока которого подключена к обмоткам статора синхронного двигателя 2, а сторона постоянного тока подключена к силовому ключу 3, управление которым осуществляется программно системой управления по векторно-импульсному принципу. Основными функциональными блоками, которой является блок ограничения тока 4, блок наблюдения за потоками 5, блок формирования управляющего импульса 6. К блоку ограничения тока 4 подключены два датчика тока ДТ, к блоку наблюдения за потоком подключены два датчика напряжения ДН. Питание обмотки ротора синхронного двигателя осуществляется от источника возбуждение ИВ, который управляется блоком №6 (блок формирования управляющего импульса). Между обмоткой статора и трехфазным мостом 1 установлены два выключателя. Работу функциональных блоков может выполнять современный микроконтроллер.
Устройство работает следующим образом.
Перед подачей напряжения на обмотки статора блок №6 формирует запрещающий сигнал на открытие силового ключа. В блоке №5 (блок ограничения тока) устанавливается ток ограничения. Блок №6 подает разрешающий сигнал на подключение источника возбуждения 7 (ИВ) к ротору. После подачи напряжения по нему протекает ток. Ток возбуждения наводит ЭДС в обмотках статора. Посредством датчиков напряжения (ДН) сигнал пропорциональный ЭДС поступает в блок №5 (блок наблюдения за потоками).
Согласно формуле (1) в блоке №5 определяется начальное положение ротора.
где Ua, Ub - амплитудные значения фазных напряжений
γ - угол между магнитным потоком статора и магнитным потоком ротора.
Затем в блоке №5 по фазным значениям источника определяется положение вектора потокосцепления статора. Данные о состоянии векторов подаются в блок №6 (блок формирования управляющего импульса). В блоке №6 сравнивается положение двух векторов, если вектор потокосцепления статора ψs занимает по отношению к вектору потокосцепления ротора ψr, такое положение, при котором создается положительный вращающий момент, формируется разрешающий сигнал на открытие силового ключа. Перед подачей управляющего сигнала на силовой ключ блок №6 ожидает разрешения от блока №4 (блок ограничения тока). В блоке 4 проверяются токи в обмотках статора, если токи не превышают установленное ограничение, то в блок №6 подается разрешающий сигнал. После этого блок №6 подает разрешающий сигнал на открытие силового ключа. Обмотка статора подключается к сети, через трехфазные неуправляемый полупроводниковый мост 1 и силовой ключ 3. Ток, протекающий по обмотке, создает вращающее магнитное поле статора, положение которого отслеживает блок №5 (блок наблюдения за потоком). При достижении током тока ограничения или, когда положение потокосцепления ротора и статора становится таким, что возникает отрицательный вращающий момент, статор от сети отключается посредством подачи запрещающего сигнала на силовой ключ 3. Ток в статоре уменьшается и становится меньше тока ограничения.
После этого блок №4 (блок наблюдения за потоком) устанавливает положения потоков сцепления ротора и статора и передает значения в блок №6 (блок формирования управляющего импульса). В блоке №6 проверяется условие 2, при котором создается положительный вращающий момент:
Если условие (2) выполняется, и ток статора меньше тока ограничения, то блок №6 (блок формирования управляющего импульса) подает разрешающий сигнал на открытие силового ключа. Происходит постепенный разгон двигателя до синхронной скорости.
После того как ротор двигателя достиг синхронной скорости, пусковое устройство может быть переведено в следящий режим, а силовая часть зашунтирована посредством включения масляных выключателей Q. При возникновении разсинхронизации, система управления переводится в режим управления.
На фиг. 2 приведены результаты (графики изменения момента (1) и скорости (2) при векторно-импульсном пуске синхронного двигателя) моделирования пускового режима синхронного двигателя с явнополюсным ротором fc=50 Гц, U=400 В, Pн=8.1 кВА, nн 1500 об/мин. Момент двигателя при векторно-импульсном способе пуска не принимает отрицательных значений, что благоприятно сказывается на динамике разгона двигателя. При достижении синхронной скорости ротор втягивается в синхронизм естественным путем без перерегулирования, в отличие от прямого пуска и пуска с помощью транзисторного регулятора напряжения.
Применение предлагаемого устройства позволяет повысить технико-экономические показатели системы пуска за счет уменьшения количества управляемых полупроводниковых вентилей и улучшения пусковых характеристик двигателя. Использование устройства векторно-импульсного пуска синхронной машины с обмоткой возбуждения позволяет снизить величину пусковых токов в 2-3 раза, что приводит к снижению ударных механических нагрузок на двигатель и увлечению продолжительности срока эксплуатации двигателя на 50-60%. Кроме того, применение данного устройства приводит к экономии электроэнергии до 30-40%.