УСТРОЙСТВО ПЛАВНОГО ПУСКА СИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ С АСИНХРОННЫМ ВОЗБУДИТЕЛЕМ

Полезная модель относится к электротехнике, в частности, к областям автоматизированного электропривода и преобразовательной техники.
СД н
ст н
в н
Известны устройства плавного пуска синхронного двигателя с щеточной системой возбуждения [1, 2], содержащие управляемый тиристорный выпрямитель с системой импульсно-фазового управления, тиристорный инвертор тока, датчик положения ротора или датчик напряжения m-фазной статорной обмотки двигателя. Управляемый выпрямитель по цепи входа подключен к питающей сети, а по цепи выхода - к входу инвертора тока. Выход инвертора тока подключен к m-фазной статорной обмотке двигателя. Выходы датчика соединены с управляющими цепями тиристоров инвертора тока непосредственно или через систему импульсно-фазового управления. Роторная обмотка возбуждения синхронного двигателя подключена к источнику регулируемого постоянного тока через щеточное устройство. Данные устройства обеспечивают плавный экономичный запуск синхронных двигателей с щеточной системой возбуждения с номинальным значением вращающего момента М при номинальном значении токов статора I и ротора I.
СД н
ст н
в н
М≈к·I·I,
СД н
где, М - номинальный вращающий момент синхронного двигателя;
к - коэффициент;
ст н
I - номинальное значение тока статора;
в н
I - номинальное значение тока ротора.
Недостатком данных устройств является отсутствие возможности плавного экономичного пуска синхронных двигателей с бесщеточной системой возбуждения взрывозащищенного исполнения [3].
Наиболее близким по технической сущности к заявленному решению и взятым за прототип является устройство плавного пуска синхронного двигателя с асинхронным возбудителем (с бесщеточной системой возбуждения взрывозащищенного исполнения) [4], содержащее управляемый тиристорный выпрямитель с системой импульсно-фазового управления, тиристорный инвертор тока, датчик положения ротора, подключенный по цепям выхода к управляющим цепям тиристоров инвертора тока и трехфазный тиристорный регулятор напряжения. Статорная обмотка синхронного двигателя подключена к питающей сети через инвертор тока и управляемый выпрямитель, а обмотка возбуждения - к роторной обмотке асинхронного возбудителя через диодный выпрямитель. Статорная обмотка асинхронного возбудителя подключена к источнику питания через трехфазный тиристорный регулятор напряжения.
Наличие в данном устройстве трехфазного тиристорного регулятора напряжения позволяет выполнить плавный пуск синхронного двигателя с асинхронным возбудителем, безударное подключение напрямую к питающей сети и последующую работу на синхронной скорости вращения с возможностью регулирования коэффициента мощности (cosφ).
Недостатком прототипа является неэффективное использование асинхронного возбудителя (асинхронного двигателя с фазным ротором) при регулировании напряжения на его статорной обмотке с помощью тиристорного регулятора напряжения, а также устройства плавного пуска в целом, что ограничивает область применения устройства плавного пуска синхронного двигателя.
фр
p
в
В процессе запуска синхронного двигателя с асинхронным возбудителем происходит изменение частоты вращения f магнитного потока Ф и напряжения U на роторной обмотке асинхронного возбудителя, а также напряжения U на обмотке возбуждения синхронного двигателя в следующей известной зависимости:
фр
n
вр
f=f±f·p;
p
фр
U=к·Ф·f; ,
в
сх
p
U=к·U
фр
где, f - частота магнитного поля ротора асинхронного возбудителя;
н
f - номинальная частота напряжения на статорной обмотке;
± - знаки: знак «+» соответствует встречному направлению вращению поля ротора, а знак «-» - согласному, которое не рассматривается ввиду неработоспособности данного режима;
вр
f - частота вращения ротора;
p -число пар полюсов; например, p=1;
p
U - напряжение роторной обмотки;
сх
к, к - коэффициенты;
Ф - магнитный поток;
в
U - напряжение на обмотке возбуждения синхронного двигателя.
вр
н
фр
н
вр
н
p
в
p
в
СД
ст
в
На номинальной частоте вращения синхронного двигателя при f=f происходит увеличение частоты f=f+f=2f магнитного поля Ф ротора асинхронного возбудителя и, соответственно, напряжения U на роторной обмотке асинхронного возбудителя в 2 раза и напряжения на обмотке возбуждения U. Стабилизация напряжения U(U) и вращающего момента синхронного двигателя М=к·I·U производится за счет соответствующего регулирования (уменьшения в 2 раза) напряжения на статорной обмотке асинхронного возбудителя с помощью тиристорного регулятора и, соответственно, магнитного поля Ф:
,
2
где к - коэффициент;
cт
U - напряжение на статорной обмотке асинхронного возбудителя.
Таким образом, асинхронный возбудитель должен быть выполнен с завышенными, как минимум в 2 раза, массогабаритными показателями магнитопровода.
вр
н
В случае невыполнения данного условия устройство плавного пуска будет способно осуществить успешный запуск с неноминальным (уменьшенным) значением вращающего момента  (на старте f=0, ), ограничивает область его применения (М - номинальный вращающий момент).
Технический результат заявленного решения - расширение области применения устройства плавного пуска синхронного двигателя и улучшение массогабаритных показателей асинхронного возбудителя.
Технический результат достигается тем, что в устройство плавного пуска синхронного двигателя с асинхронным возбудителем, содержащее управляемый тиристорный выпрямитель с системой импульсно-фазового управления, тиристорный инвертор тока и датчик положения ротора, выходы которого подключены к управляющим входам тиристоров инвертора, m-фазная статорная обмотка синхронного двигателя подключена к питающей сети через инвертор тока и управляемый выпрямитель, а обмотка возбуждения - к роторной обмотке асинхронного возбудителя через диодный выпрямитель, дополнительно введены m-фазный генератор переменного напряжения с двумя входами управления и задатчик частоты, при этом выходы генератора подключены к m-фазной статорной обмотке асинхронного возбудителя, первый управляющий вход генератора соединен с управляющим цепям тиристоров инвертора тока, а второй - с задатчиком частоты.
Отличительной особенностью предлагаемой полезной модели является то, что расширение области применения устройства плавного пуска синхронных двигателей и улучшение - массогабаритных показателей асинхронного возбудителя достигается за счет введения в его состав m-фазного генератора переменного напряжения, подключения его выхода к m-фазной статорной обмотке асинхронного возбудителя, а также подключения управляющих цепей генератора к управляющим цепям инвертора тока и к задатчику частоты.
На фигуре приведена схема заявляемого устройства, где приняты следующие обозначения:
1 - синхронный двигатель;
2 - асинхронный возбудитель (асинхронный двигатель с фазным ротором без щеток);
3 - управляемый тиристорный выпрямитель УВ с системой импульсно-фазового управления СИФУ;
4 - тиристорный инвертор тока И с дросселем L во входной цепи постоянного тока;
5 - датчик положения ротора;
6 - диодный выпрямитель;
7 - m-фазный генератор переменного, регулируемого по частоте и величине, выходного напряжения с двумя входами управления I и II (например, транзисторный преобразователь частоты);
8 - задатчик частоты;
n
~U - напряжение питания управляемого выпрямителя 3;
n
=U - напряжение питания генератора 7;
н
m
н
m
I, I - величины задания выходного тока I и обратной связи по току I управляемого выпрямителя;
н
f - номинальная частота задатчика частоты 8;
вр
f - частота вращения ротора.
Предлагаемое устройство плавного пуска синхронного двигателя 1 с асинхронным возбудителем 2 содержит управляемый тиристорный выпрямитель 3 с системой импульсно-фазового управления, тиристорный инвертор тока 4, датчик положения ротора 5, выходы которого подключены к управляющим цепям тиристоров инвертора тока 4, диодный выпрямитель 6, m-фазный генератор переменного напряжения 7 с двумя входами управления I, II и задатчик частоты 8. Статорная обмотка синхронного двигателя 1 подключена к питающей сети через инвертор тока 4 и управляемый выпрямитель 3. Обмотка возбуждения синхронного двигателя 1 подключена к роторной обмотке асинхронного возбудителя 2 через диодный выпрямитель 6. Выходы m-фазного генератора переменного напряжения 7 подключены к m-фазной статорной обмотке асинхронного возбудителя 2. Вход управления I генератора 7 соединен с управляющими цепями инвертора тока 4, а вход управления II - с задатчиком частоты 8.
н
cт. н
н
р.н
Работа устройства происходит следующим образом. Первоначально подаются напряжение питания на m-фазный генератор переменного напряжения 7 и сигнал задания номинального значения частоты f на вход управления II с выхода задатчика 8. Генератор 7 известным способом широтно-импульсной модуляции формирует на выходе, и, соответственно, на статорной обмотке асинхронного возбудителя 2, m-фазную систему синусоидальных напряжений номинального значения U и частоты f. Статорная обмотка асинхронного возбудителя 2 создает вращающееся магнитное поле Ф, под действием которого в роторной обмотке асинхронного возбудителя 2 наводится номинальное значение напряжения U, которое через диодный выпрямитель 6 подается на обмотку возбуждения синхронного двигателя 1. Синхронный двигатель 1 номинально возбужден и готов к плавному экономичному пуску в синхронном режиме работы, который выполняется следующим образом.
н
m
н
На вход управляемого тиристорного выпрямителя 3 подается напряжение питающей сети. На управляющие цепи тиристоров выпрямителя 3 подаются сигналы с выходов системы импульсно-фазового управления СИФУ, которая обеспечивает, по своему назначению, регулирование выходного напряжения выпрямителя 3 с поддержанием входного тока I инвертора тока 4 на заданном номинальном уровне. Последнее обеспечивается за счет отрицательной обратной связи по току I. Управление тиристорами инвертора тока 4 производится по сигналам датчика положения ротора 5 таким образом, чтобы ток I, протекающий через открытые тиристоры и фазы статорной обмотки синхронного двигателя 1, создавал максимальное значение вращающего момента при взаимодействии с номинальным значением тока в обмотке возбуждения. В принципе, инвертор тока 4 с управлением по сигналам датчика положения ротора 5 выполняет функцию коллектора двигателя постоянного тока.
вр
вр
вых
вых
вых
н
вр
н
вр
фр
Под действием созданного вращающего момента объединенный ротор синхронного двигателя 1 и асинхронного возбудителя 2 начинает вращаться в заданном направлении. При этом переключение тиристоров инвертора тока 4 выполняется по сигналам датчика положения ротора 5 с частотой вращения ротора f. Соответственно, на вход управления I генератора 7 поступают управляющие импульсы инвертора тока 4 с частотой f. Генератор 7 выполняет регулирование частоты f и величины выходного напряжения U с учетом сигналов на входе управления I, а именно, по разности частот f= f- f: частоты f с выхода задатчика 8 и частоты f импульсов инвертора. В результате генератор 7 обеспечивает постоянство частоты магнитного поля ротора f асинхронного возбудителя 2:
фр
вых
вр
н
вр
вр
н
f=f+f=(f-f)+f=f=const;
вых
где, f - частота напряжения на статорной обмотке асинхронного возбудителя и, соответственно, магнитного поля относительно его статора.
вых
вых
При этом производится пропорциональное частоте f регулирование величины выходного напряжения U генератора 7 и, соответственно, напряжения статорной обмотки асинхронного возбудителя 2. В результате обеспечивается постоянство величины магнитного поля, создаваемого статорной обмоткой асинхронного возбудителя 2:
,
вых
где, U - выходное напряжение генератора.
фр
Таким образом, обеспечивается постоянство частоты магнитного поля ротора асинхронного возбудителя f и величины магнитного поля Ф вращающегося ротора асинхронного возбудителя 2 и, соответственно, номинального значения напряжения на роторной обмотке асинхронного возбудителя 2 и обмотки возбуждения синхронного двигателя 1:
в
сх
p
сх
ф.р
сх
н
U=к·U=к·к·Ф·f=к·к·Ф·f=const.
В результате обеспечивается плавный экономичный запуск синхронного двигателя 1 с номинальным значением вращающего момента при номинальных значениях токов статора, обмотки возбуждения, тиристоров выпрямителя 3 и инвертора тока 4 в процессе изменения частоты вращения от нулевого значения до номинального.
При этом обеспечивается номинальное значение магнитного поля Ф=const асинхронного возбудителя 2, и последний имеет оптимальное массогабаритные показатели магнитопровода статора и ротора.
mp
СДн
В целом, данное устройство может быть широко использовано для плавного пуска синхронных двигателей с номинальной нагрузкой любого типа, не только с «легкой», но и «тяжелой» с моментом трогания, близким к номинальному значению вращающего момента синхронного двигателя M≈M.
По окончании процесса плавного пуска синхронного двигателя 1, последний, как правило, подключается напрямую к питающей сети через вспомогательный коммутационный аппарат и продолжает работу в штатном синхронном режиме работы с возможностью регулирования cosφ и обеспечения режима форсировки возбуждения с помощью асинхронного возбудителя 2 и генератора 7.
В принципе, данное устройство может быть использовано для плавного пуска синхронных двигателей с асинхронным возбудителем при использовании датчика напряжения статорной обмотки синхронного двигателя, выполняющего функцию датчика положения ротора [2, 5].
Источники известности
[1] Вентильный электродвигатель. Авт. свид-во СССР, №692015.
[2] Шепелин В.Ф. и др. Пусковые режимы синхронных двигателей с тяжелыми условиями пуска - Электротехника, 2006 г., №2, стр.34-40.
[3] Гамазин С.И. и др. Переходные процессы систем промышленного электроснабжения. М., МЭИ, 1991 г., стр.125-128. Синхронные двигатели типа СТДП производства «Электротяжмаш-Привод», г.Лысьва, Пермский край, Россия.
[4] Справочник по проектированию автоматизированного электропривода и систем управления технологическими процессами под ред. В.И.Круповича. М., «Энергоиздат», 1982 г., стр.143-145.
[5] Паймурзов Е.Г. Алгоритм работы бездатчикового зависимого инвертора тока в зоне низких скоростей вращения. Экспозиция Нефть Газ, 2010 г., №5/Н (11).