СПОСОБ ВЕКТОРНОГО УПРАВЛЕНИЯ ПУСКОМ И ТОРМОЖЕНИЕМ АСИНХРОНИЗИРОВАННОЙ МАШИНЫ
METHOD OF STARTUP AND DECELERATION VECTOR CONTROL OF ASYNCHRONISED MACHINE

Предлагаемое изобретение 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
Известен способ управления пуском электрической машины двойного питания, при котором обмотку статора питают через трехфазный мостовой инвертор на силовых ключах IGBT модулей, а на обмотку ротора подают (от преобразователя частоты системы возбуждения) фиксированное напряжение такой формы, чтобы наведенный в статоре ток имел синусоидальный характер [пат. RU 2427069].
Недостаток этого аналога - низкая технико-экономическая эффективность (особенно для машин большой мощности), обусловленная необходимостью иметь в статорной цепи машины дополнительное оборудование в виде трехфазного мостового инвертора на силовых ключах IGBT модулей.
Известен способ управления электрической машиной двойного питания, при котором обмотку статора питают от трехфазной сети, а обмотки ротора - от преобразователя частоты системы возбуждения, при этом в обмотку статора подают напряжение постоянной амплитуды, а в обмотку ротора через преобразователь частоты подают регулируемое трехфазное напряжение возбуждения, направленное встречно ЭДС скольжения, наведенной в обмотке ротора, и превышающее ее по величине [пат. RU 2076450]. Это решение 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 изобретения
Техническим результатом изобретения является обеспечение мобильного (ускоренного) пуска и торможения электрической машины двойного питания, например АСМ большой мощности, без использования дополнительного пускового или тормозного оборудования.
Предметом изобретения является способ векторного управления пуском и торможением асинхронизированной электрической машины, подключенной к трехфазной электросети, заключающийся в том, что определяют частоту и фазу ЭДС скольжения, наводимой в обмотках ротора вращающимся магнитным полем статора, и подают напряжение возбуждения с частотой скольжения на обмотки ротора, при этом фазу напряжения возбуждения устанавливают относительно фазы ЭДС скольжения со сдвигом в сторону опережения при пуске и - в сторону отставания при торможении, а амплитуду регулируют в соответствии с требуемым вращающим моментом.
Это позволяет получить указанный выше технический результат.
Уточняющее развитие изобретения состоит в том, что сдвиг напряжения возбуждения относительно фазы ЭДС скольжения устанавливают в пределах 80÷100 электрических градусов.
Краткое описание чертежей.
На фиг.1 показана общая схема АСМ, питающейся от сети, с системой возбуждения, подключенной к обмоткам ротора.
На фиг.2 представлена блок-схема, иллюстрирующая возможный вариант выполнения системы возбуждения, осуществляющей заявляемый способ.
На фиг.3 представлена векторная диаграмма роторной цепи АСМ в режимах пуска и торможения с управлением по заявляемому способу.
Осуществление изобретения
На общей схеме АСМ (фиг.1) показана ее система возбуждения, которая содержит преобразователь 1 частоты, питающий обмотку ротора 2, 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
fо
f
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 сигналов, характеризующих вектор U напряжения статора 5 и вектор U положения ротора 2. Устройство управления 3 формирует трехфазный сигнал µU, частота, амплитуда и фаза которого однозначно определяют соответствующие параметры трехфазного напряжения U, подаваемого преобразователем 1 на обмотку ротора 2.
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 возбуждения при осуществлении заявляемого способа 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.
o
г
дпр
Блок 14, в состав которого входят блоки 15 и 16, формирует нормированное опорное напряжение U, частота и фаза которого совпадают с соответствующими параметрами ЭДС скольжения ротора 2 относительно поля, создаваемого током статора 5. Для этого 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.
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
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.
п
т
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). Сигнал µ может изменяться в пределах 0-1.
f
oα
п
п
Преобразователь 1 (см. фиг.1) в соответствии с управляющим напряжением, сформированным устройством 3 управления, подает на обмотку ротора 2 трехфазное напряжение U с частотой Ω скольжения и амплитудой, равной µUK, 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 нa 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.