Устройство для пуска синхронной машины

Полезная модель относится к электротехнике и может быть использована для управления синхронной машины, в частности для управления синхронной машины в режиме вентильного электродвигателя.
Известно устройство для пуска синхронной машины в режиме вентильного электродвигателя, описанное в работе (Ильин, В.И., Гинзбург, С.М., Севастьянова, В.Н. О пуске синхронной машины в режиме вентильного двигателя с имитатором положения ротора. – М.: Журнал «Электричество». – 1982. – № 2. – С. 55 – 59), содержащее выпрямитель и зависимый инвертор, соединённые через реакторы, блоки управления выпрямителя и инвертора, блок регулирования, блок формирования импульсов гашения, блок имитатора ротора синхронной машины, блоки задания уставки, блок сравнения и пересчётное кольцо.
Недостаток устройства связан с тем, что результатом работы блока имитатора ротора синхронной машины является вычисляемое угловое перемещение ротора синхронной машины, которое не синхронизировано с реальным угловым положением ротора синхронной машины, в результате чего:
- развиваемый синхронной машиной электромагнитный момент может иметь знакопеременный характер, что приводит к колебаниям вала ротора синхронной машины и механизмов, приводимых во вращении синхронной машиной, что снижает сроки эксплуатации механизмов;
развиваемый синхронной машиной электромагнитный момент может не достичь оптимального значения, что затягивает время пуска синхронной машины и увеличивает тепловую загрузку тиристоров, в результате снижаются надёжность пуска и технико-экономические показатели силового оборудования.
Близким по технической сущности, принятым за прототип, является устройство для пуска синхронной машины в режиме вентильного электродвигателя, рассмотренное в описание изобретения (SU1339847A1, опубликовано 23.09.87). Оно содержит выпрямитель и зависимый инвертор, соединённые через реакторы, блоки управления выпрямителя и инвертора, блок регулирования, блок формирования импульсов гашения, блок контроля напряжения, блок задания уставки, блок сравнения и пересчётное кольцо.
Блок контроля напряжения предназначен для измерения напряжения в необтекаемой током зависимого инвертора фазной обмотке синхронной машины и определения фазу этого напряжения, которая сравнивается с заданной уставкой фазы. В момент достижения фазы измеряемого напряжения заданной уставки фазы сигнал с выхода блока сравнения поступает на вход блока пересчётного кольца и изменяется его состояние, что приводит к очередной коммутации тиристоров зависимого инвертора.
Напряжение в необтекаемой током зависимого инвертора фазной обмотке синхронной машины определяется в основном электродвижущей силой (ЭДС) вращения фазной обмотки статора, формируемой обмоткой возбуждения, которая при вращении ротора синхронной машины принимает синусоидальную форму, а, значит, фаза синусоидального сигнала изменяется в диапазоне от минус 180 до плюс 180 электрических градусов. Также фаза ЭДС вращения, формируемой обмоткой возбуждения, в необтекаемой током зависимого инвертора фазной обмотке синхронной машины определяет угловое положения ротора синхронной машины. Зная угловое положения ротора синхронной машины можно формировать воздействие на синхронную машину посредством выпрямителя и зависимого инвертора для создания необходимого электромагнитного момента синхронной машины для её вращения в строго заданную сторону.
Недостатки прототипа заключаются в следующем.
Во-первых, если коммутации тиристоров зависимого инвертора, в частности, первые коммутации тиристоров зависимого инвертора, будут выполнены таким образом, при котором фаза напряжения, контролируемого в необтекаемой током зависимого инвертора фазной обмотке синхронной машины, не достигнет заданного значения, то очередная коммутация тиристоров зависимого инвертора не может быть осуществлена. В этом случае пусковой процесс прерывается и оператором производится повторный пуск синхронной машины, в результате время пуска возрастает и надёжность пуска синхронной машины снижается.
Во-вторых, из-за ёмкостных связей питающей сети выпрямителя и обмоток статора синхронной машины с «землёй» коммутации тиристоров выпрямителя оказывают влияние на напряжение в необтекаемой током зависимого инвертора фазной обмотке статора синхронной машины, что приводит к недостаточно точным измерениям фазы напряжения в необтекаемой током зависимого инвертора фазной обмотке статора синхронной машины. Это обуславливает снижение электромагнитного момента, развиваемого синхронной машиной, увеличение времени пуска синхронной машины и тепловой нагрузки тиристоров, что ухудшает технико-экономических показатели и снижает надёжность пуска синхронной машины.
Задача, на решение которой направлено заявляемое техническое решение – обеспечить возможность производить надёжный пуск синхронной машины без нарушения периодичности коммутаций тиристоров зависимого инвертора, с учётом начального положения ротора синхронной машины и более точного контроля углового положения ротора синхронной машины между очередными коммутациями тиристоров зависимого инвертора.
При решении поставленной задачи достигаемый технический результат заключается в повышении надёжности пуска синхронной машины и улучшении технико-экономических показателей силового оборудования.
Поставленная задача достигается тем, что в устройство для пуска синхронной машины, содержащее выпрямитель, силовой вход которого предназначен для подключения к питающей сети, зависимый инвертор, силовой выход которого предназначен для подключения к статорной обмотке синхронной машины, а силовой вход подключён через реакторы к силовому выходу выпрямителя, блок управления выпрямителя, выход которого предназначен для подключения к входам тиристоров выпрямителя, а первый вход соединён с выходом блока регулирования тока, блок управления инвертора, первый выход которого предназначен для подключения к входам тиристоров зависимого инвертора, а вход соединён с выходом блока пересчётного кольца, блок формирования импульсов гашения, вход которого соединён со вторым выходом блока управления инвертора, а выход соединён со вторым входом блока управления выпрямителя, блок контроля напряжения, первый вход которого подключён к силовому выходу зависимого инвертора, а второй вход подключён к выходу блока пересчётного кольца, первый блок сравнения, первый вход которого соединён с первым выходом блока контроля напряжения, первый блок уставки, выход которого соединён со вторым входом первого блока сравнения, введены дополнительно блок имитатора ротора синхронной машины, второй и третий блоки уставки, второй и третий блоки сравнения, блок вычисления угла поворота ротора синхронной машины, блок логики, блок определения начального положения ротора синхронной машины, блок вычисления начального состояния пересчётного кольца и блок вычисления начального состояния имитатора, причём первый вход блока имитатора ротора синхронной машины соединён с выходом второго блока уставки, а второй вход соединён со вторым выходом блока управления инвертора, первый вход второго блока сравнения соединён с первым выходом блока имитатора ротора синхронной машины, а второй вход соединён с первым выходом третьего блока уставки, первый вход блока логики соединён с выходом первого блока сравнения, второй вход соединён с выходом второго блока сравнения, а выход блока логики соединён с первым входом блока пересчётного кольца, первый вход блока вычисления угла поворота ротора синхронной машины соединён со вторым выходом блока контроля напряжения, а второй вход соединён со вторым выходом блока имитатора ротора синхронной машины, первый вход третьего блока сравнения соединён с выходом блока вычисления угла поворота ротора синхронной машины, второй вход соединён с первым выходом третьего блока уставки, а выход третьего блока сравнения соединён с третьим входом блока логики, первый вход блока вычисления начального состояния имитатора соединён с выходом блока определения начального положения ротора синхронной машины, второй вход соединён с выходом блока управления инвертора, а выход блока вычисления начального состояния имитатора соединён с третьим входом блока имитатора ротора синхронной машины, вход блока вычисления начального состояния пересчётного кольца соединён с выходом блока определения начального положения ротора синхронной машины, а выход соединён со вторым входом блока пересчётного кольца.
Введённые функциональные блоки, а именно блок имитатора ротора синхронной машины для вычисления угла поворота, имитирующего угловое перемещение ротора синхронной машины в период времени между коммутациями тиристоров зависимого инвертора, второй и третий блоки сравнения, блок вычисления угла поворота ротора синхронной машины, блок определения начального положения ротора синхронной машины, блок вычисления начального состояния пересчётного кольца и блок вычисления начального состояния имитатора и блок логики для организации управления тиристорами зависимого инвертора, обеспечивают возможность более точно контролировать пусковой процесс, устранять прерывания пуска синхронной машины, когда по каким-либо причинам измерение фазы напряжения в необтекаемой током зависимого инвертора фазной обмотке синхронной машины оказываются невыполненными, и способствуют повышению надёжности пуска синхронной машины.
На фиг. приведена функциональная схема устройства для пуска, содержащего средства имитации поворота ротора синхронной машины и учёта начального углового положения ротора и текущего угла поворота ротора. В приведённой схеме приняты следующие обозначения:
синхронная машина;
зависимый инвертор;
реактор;
реактор;
выпрямитель;
блок управления выпрямителя;
блок управления инвертора;
блок формирования импульсов гашения;
блок регулирование тока;
блок пересчётного кольца;
блок контроля напряжения;
первый блок сравнения;
первый блок уставки;
блок логики;
блок имитатора ротора синхронной машины;
второй блок уставки;
второй блок сравнения;
третий блок уставки;
блок определения начального углового положения ротора синхронной машины;
блок вычисления начального состояния пересчётного кольца;
блок вычисления начального состояния имитатора;
третий блок сравнения;
блок вычисления угла поворота ротора синхронной машины;
– логические сигналы управления тиристорами инвертора;
– сигнал фазы обесточенного напряжения;
– сигнал уставки фазы;
– сигнал переключения пересчётного кольца по фазе обесточенного напряжения;
– сигнал момента коммутации тиристоров инвертора;
– сигнал углового ускорения имитатора;
– сигнал начальной угловой скорости имитатора;
– сигнал угла поворота имитатора;
– сигнал уставки угла поворота поля статора;
– сигнал переключения пересчётного кольца от имитатора;
– сигнал переключения пересчётного кольца;
– сигнал начального положения ротора синхронной машины;
– сигналы начального состояния пересчётного кольца;
– сигнал начального угла поворота имитатора;
– сигнал переключения пересчётного кольца по углу поворота ротора синхронной машины;
– сигнал угла поворота ротора;
– сигнал длительности вычисления угла поворота имитатора с момента последней коммутации тиристоров зависимого инвертора;
– сигнал периода обесточенного напряжения.
Схема на фиг. содержит синхронную машину 1, статорная обмотка которой подключена к силовому выходу зависимого инвертора 2, реализованного на тиристорах. Силовой вход зависимого инвертора 2 через реакторы 3 и 4 соединён с силовым выходом выпрямителя 5, реализованного на тиристорах. Силовой вход выпрямителя 5 предназначен для подключения к источнику переменного тока. Управление выпрямителем 5 осуществляется от блока управления выпрямителя 6, управление зависимым инвертором 2 – от блока управления инвертора 7. Выход блока управления выпрямителя 6 соединён с входом выпрямителя 5 сигналами управления соответствующими тиристорами. Первый выход блока управления инвертора 7 соединён с входом зависимого инвертора 2 сигналами управления соответствующими тиристорами. Второй выход блока управления инвертора 7 соединён с входом блока формирования импульсов гашения 8. Первый вход блока управления выпрямителя 6 соединён с выходом блока регулирования тока 9, а второй вход соединён с выходом блока формирования импульсов гашения 8. Выход блока пересчётного кольца 10 логическими сигналами управления тиристорами инвертора  соединён со входом блока управления инвертора 7 и со вторым входом блока контроля напряжения 11, первый вход которого соединён с фазами силового выхода зависимого инвертора 2. Первый выход блока контроля напряжения 11 соединён с первым входом первого блока сравнения 12 сигналом фазы обесточенного напряжения , а второй вход первого блока сравнения 12 соединён с выходом первого блока уставки 13 сигналом уставки фазы , и выход первого блока сравнения 12 соединён с первым входом блока логики 14 сигналом переключения пересчётного кольца по фазе обесточенного напряжения . Первый вход блока имитатора ротора синхронной машины 15 соединён с выходом второго блока уставки 16 сигналами углового ускорения имитатора  и начальной угловой скорости имитатора  соответственно, а второй выход соединён со вторым выходом блока управления инвертора 7 сигналом момента коммутации тиристоров инвертора . Выход блока имитатора ротора синхронной машины 15 соединён с первым входом второго блока сравнения 17 сигналом угла поворота имитатора , у которого второй вход соединён с первым выходом третьего блока уставки 18 сигналом уставки угла поворота поля статора , а выход второго блока сравнения 17 соединён со вторым входом блока логики 14 сигналом переключения пересчётного кольца от имитатора . Выход блока логики 14 соединён с первым входом блока пересчётного кольца 10 сигналом переключения пересчётного кольца .
Выход блок определения начального углового положения ротора синхронной машины 19 соединён с входом блока вычисления начального состояния пересчётного кольца 20 и первым входом блока вычисления начального состояния имитатора 21 сигналом начального положения ротора синхронной машины . Выход блока вычисления начального состояния пересчётного кольца 20 соединён со вторым входом блока пересчётного кольца 10 сигналами начального состояния пересчётного кольца . Второй вход блока вычисления начального состояния имитатора 21 соединён со вторым выходом блока управления инвертора 7 сигналом момента коммутации тиристоров инвертора , а выход блока вычисления начального состояния имитатора 21 соединён с третьим входом блока имитатора ротора синхронной машины 15 сигналом начального угла поворота имитатора .
Третий вход блока логики 14 соединён с выходом третьего блока сравнения 22 сигналом переключения пересчётного кольца по углу поворота ротора . Первый вход блока вычисления угла поворота ротора синхронной машины 23 соединён со вторым выходом блока контроля напряжения 11 сигналом периода обесточенного напряжения , а второй вход соединён со вторым выходом блока имитатора ротора синхронной машины 15 сигналом длительности вычисления угла поворота имитатора с момента последней коммутации тиристоров зависимого инвертора . Первый вход третьего блока сравнения 22 соединён с выходом блока вычисления угла поворота ротора синхронной машины 23 сигналом угла поворота ротора , а второй вход соединён с первым выходом третьего блока уставки 18 сигналом уставки угла поворота поля статора .
Техническое решение на фиг. работает следующим образом. В любой момент времени, кроме момента коммутации зависимого инвертора 2, при разгоне синхронной машины 1 проводят ток выпрямителя 5 только два плеча тиристорного моста зависимого инвертора 2: один в катодной группе одной фазы тиристорного моста, другой в анодной группе другой фазы тиристорного моста. Таким образом, синхронная машина 1 одной фазой статора подключена к реактору 3, а другой фазой статора – к реактору 4. Плечи третьей фазы тиристорного моста зависимого инвертора 2 обесточены, а, значит, фаза статора синхронной машины 1, подключённая к этой фазе тиристорного моста, также обесточена. Включение пары плеч тиристорного моста зависимого инвертора 2 производится блоком управления инвертора 7. Включение той или иной пары плеч тиристорного моста зависимого инвертора 2 зависит от логических сигналов управления тиристорами инвертора , определяемых состоянием пересчётного кольца, которые обуславливают и режим функционирования блока контроля напряжения 11.
Естественная коммутация тиристоров зависимого инвертора 2 на средних и высоких частотах вращения ротора синхронной машины 1 осуществляется за счёт ЭДС вращения статора, то есть за счёт реактивной мощности синхронной машины 1. При пуске синхронной машины 1 из неподвижного состояния, что соответствует области нулевой и низких частот вращения ротора синхронной машины, ЭДС вращения статора недостаточно для естественной коммутации тиристоров зависимого инвертора 2, поэтому применяют принудительную коммутацию тиристоров зависимого инвертора 2 за счёт перевода тиристоров выпрямителя 5 в инверторный режим. Работу выпрямителя 5 определяет блок управления выпрямителя 6 так, что при отсутствии сигнала на выходе блока формирования импульсов гашения 8 выпрямитель 5 формирует ток в соответствии с воздействием блока регулирования тока 9. Если блок формирования импульсов гашения 8 выдаёт импульсный сигнал, то в течение действия этого сигнала выпрямитель 5 переводится в инверторный режим и его ток прекращается, при этом производится восстановление запирающих свойств тиристоров моста зависимого инвертора 2. Блок формирования импульсов гашения 8 формирует импульсный сигнал гашения по сигналу момента коммутации тиристоров инвертора , поступающему от блока управления инвертора 7 в момент переключения пересчётного кольца сигналом переключения пересчётного кольца . В новом состоянии пересчётного кольца сочетание проводящих плеч зависимого инвертора 2 такое, что поле статора синхронной машины 1 по отношению к предыдущему его состоянию отличается на 60 электрических градусов по ходу направления вращения ротора синхронной машины 1. Значение этого угла записывается в третьем блоке уставки 18. По логическим сигналам управления тиристорами инвертора  с выхода блока пересчётного кольца 10 блоком контроля напряжения 11 производятся измерения напряжения в необтекаемой током зависимого инвертора 2 фазной обмотке синхронной машины 1 и определение фазы измеряемого напряжения в зависимости от того, какая группа тиристорного моста зависимого инвертора 2, анодная или катодная, будет коммутировать. Текущий результат фазы напряжения в необтекаемой током зависимого инвертора 2 фазной обмотке статора синхронной машины 1 сигналом фазы обесточенного напряжения  подаётся на первый вход первого блока сравнения и сравнивается с сигналом уставки фазы , результат сравнения подаётся на выход первого блока сравнения сигналом переключения пересчётного кольца по фазе .
Блок имитатора ротора синхронной машины 15 производит вычисления угла поворота имитатора с учётом сигнала углового ускорения имитатора  и сигнала начальной угловой скорости имитатора . В момент появления сигнала момента коммутации тиристоров инвертора , поступающего со второго выхода гашения блока управления инвертора 7 на вход блока формирования импульсов гашения 8, угол поворота имитатора устанавливается на значение сигнала начального угла поворота имитатора , который поступает на третий вход блока имитатора ротора синхронной машины 15. Применительно к первой коммутации тиристоров зависимого инвертора значение сигнала начального угла поворота имитатора  определяется с учётом начального углового положения ротора синхронной машины, а для последующих коммутаций тиристоров зависимого инвертора значение сигнала начального угла поворота имитатора  обнуляется. Текущий результат угла поворота имитатора через первый выход блока имитатора ротора синхронной машины 15 подаётся сигналом угла поворота имитатора  на первый вход второго блока сравнения 17 и сравнивается с сигналом уставки угла поворота поля статора , результат сравнения подаётся на выход второго блока сравнения 17 сигналом переключения пересчётного кольца от имитатора .
Измеряемый в блоке контроля напряжения 11 период напряжения в необтекаемой током зависимого инвертора фазной обмотке синхронной машины передаётся на первый вход блока вычисления угла поворота ротора синхронной машины 23 сигналом периода обесточенного напряжения , на второй вход которого с блока имитатора ротора синхронной машины 15 поступает сигнал длительности вычисления угла поворота имитатора с момента последней коммутации тиристоров зависимого инвертора . В блоке вычисления угла поворота ротора синхронной машины 23 вычисляется угол поворота ротора синхронной машины 1 с момента последней коммутации тиристоров зависимого инвертора 2, текущий результат вычисления сигналом угла поворота ротора  подаётся на третий блок сравнения 22 и сравнивается с сигналом уставки угла поворота поля статора , результат сравнения подаётся на выход третьего блока сравнения 22 сигналом переключения пересчётного кольца по углу поворота ротора .
Переключение состояния пересчётного кольца производится по сигналу переключения пересчётного кольца , поступающего с выхода блока логики 14, формируемого в момент поступления сигнала переключения пересчётного кольца от имитатора  с выхода второго блока сравнения 12 или в момент поступления обоих сигналов с выходов первого и третьего блоков сравнения 12 и 22 соответственно: сигнала переключения пересчётного кольца по фазе  и сигнала переключения пересчётного кольца по углу поворота ротора . В результате использования сигнала переключения пересчётного кольца по фазе  и сигнала переключения пересчётного кольца по углу поворота ротора  в цепи обратной связи по угловому положению ротора синхронной машины обеспечивается возможность повышения точности определения углового положения ротора синхронной машины, способствующего формированию требуемого электромагнитного момента синхронной машины, и надёжного пуска. В результате использования сигнала переключения пересчётного кольца от имитатора  осуществляется канал программного управления коммутациями тиристоров зависимого инвертора 2, работающий совместно как с обратной связью по угловому положению ротора синхронной машины 1, так и без неё.
Использование блока определения начального углового положения ротора синхронной машины 19, блока вычисления начального состояния пересчётного кольца 20 и блока вычисления начального состояния имитатора 21 позволяет учесть начальное угловое положение ротора синхронной машины перед первой коммутацией тиристоров зависимого инвертора 2, для определения которого может быть использован типовой блок определения начального углового положения ротора синхронной машины 19, применяемый в инженерной практике. Сигнал начального положения ротора синхронной машины  с выхода блока определения начального углового положения ротора синхронной машины 19 поступает одновременно на блок вычисления начального состояния пересчётного кольца 20 и блок вычисления начального состояния имитатора 21. По сигналу начального положения ротора синхронной машины  блоком вычисления начального состояния пересчётного кольца 20 формируются сигналы начального состояния пересчётного кольца , которые устанавливают начальное состояние пересчётного кольца для первой коммутации тиристоров зависимого инвертора 2, обеспечивающее электромагнитный момент синхронной машины 1, необходимый для вращения ротора в заданную сторону с первой коммутации тиристоров зависимого инвертора 2.
В то же время блоком вычисления начального состояния имитатора 21 по сигналу начального положения ротора синхронной машины  формируется сигнал начального угла поворота имитатора . В момент поступления сигнала момента коммутации тиристоров инвертора  на первый вход блока вычисления начального состояния имитатора 21 и на второй вход блока имитатора ротора синхронной машины 15 угол поворота имитатора устанавливается равным значению поступившему на его третий вход сигналу начального угла поворота имитатора . При этом в блоке вычисления начального состояния имитатора 21 производится обнуление сигнала начального угла поворота имитатора . Таким образом, в условиях первой коммутации тиристоров зависимого инвертора производится вычисление сигнала угла поворота имитатора  с учётом сигнала начального положения ротора синхронной машины . Во всех последующих циклах переключения состояний пересчётного кольца в моменты поступления сигнала момента коммутации тиристоров инвертора  на первый вход блока имитатора ротора синхронной машины 15 устанавливает нулевое значение угла поворота имитатора.
Предложенное техническое решение исключает возможные нарушения периодичности коммутаций тиристоров зависимого инвертора и повышает точность определения углового положения ротора синхронной машины, что обеспечивает повышение надёжности пуска синхронной машины. Дополнительный положительный фактор заключается в том, что с введением имитатора ротора синхронной машины появляется возможность осуществлять коммутацию тиристоров зависимого инвертора без обратной связи по угловому положению ротора синхронной машины, что существенно упрощает пусконаладочные работы, которые выполняются с целью проверки правильности подключения силовых, измерительных и управляющих цепей пускового устройства, в состав которого входят выпрямитель и зависимый инвертор, и снижает сроки и затраты на их проведение.