ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ УПРАВЛЕНИЯ СД

Системы управления электроприводов с СД в общем случае должны обеспечивать пуск и синхронизацию СД с сетью, ресинхронизацию, регулирование скорости и торможение, регулирование тока возбуждения. С точки зрения задач управления, условий пуска и синхронизации электроприводы с СД обычно делятся [6, 16] на три класса: электроприводы с неизменной и медленно меняющейся нагрузкой, электроприводы с пульсирующей нагрузкой, электроприводы с резкопеременной нагрузкой.

Неизменная или медленно меняющаяся нагрузка характерна для электроприводов насосов и вентиляторов, газо- и воздуходувок, разрезных пил в деревообрабатывающей промышленности, компрессорных турбомашин. Мощность СД в этих электроприводах колеблется от нескольких десятков до нескольких тысяч киловатт. Синхронные двигатели СД в таких электроприводах должны иметь кратность пускового момента М_п/M_ном=0,4¸0,6, входного момента М_вх/M_ном=0,8¸1,2 и перегрузочную способность М_max/M_ном=1,5¸2.

Пульсирующая нагрузка характерна для электроприводов станков-качалок в нефтедобыче, поршневых компрессоров в химической промышленности. Мощности этих электроприводов составляют от нескольких сотен до тысяч киловатт. Требования к СД этих электроприводов следующие: кратности пускового момента 0,4–1, входного момента 0,4–0,6 и перегрузочная способность 1,5–2,5. В электроприводах такого класса обычно осуществляется регулирование тока возбуждения СД.

Резкопеременная нагрузка электроприводов характерна для следующих рабочих машин и механизмов: дробилки, мельницы горнорудных предприятий, непрерывные прокатные станы, ножницы и пилы для металла, скиповые лебедки доменных печей. Мощности этих электроприводов колеблются от нескольких сотен до десятков тысяч киловатт. Требования к СД: кратность пускового момента 1,2–2, входного 1–1,5, перегрузочная способность 2,5–3,5. Для улучшения показателей работы сети электроснабжения и обеспечения устойчивости СД в электроприводах этого класса осуществляется регулирование возбуждения СД.

Эффективным средством решения целого комплекса задач, связанных с обеспечением нормальной работы самого СД и улучшением показателей работы питающей сети, является автоматическое регулирование возбуждения (АРВ). Общие задачи АРВ сводятся к следующему [6, 16]:

1. АРВ должно обеспечивать устойчивую работу СД при заданных режимах нагрузки.

2. АРВ должно способствовать поддержанию нормального (оптимального) напряжения в узле нагрузки, к которому присоединены СД, при допустимом тепловом режиме СД.

3. АРВ должно способствовать обеспечению минимума потерь энергии в СД и системе электроснабжения.

4. АРВ должно обеспечивать повышение устойчивости СД и выдачи повышенной реактивной мощности при кратковременных (до 1 мин) снижениях напряжения за счет форсировки возбуждения.

Регулирование тока возбуждения для компенсации СД реактивной мощности в системе электроснабжения было уже рассмотрено в § 5.2.

В зависимости от условий работы электропривода с СД схемы АРВ могут выполнять одну или несколько из перечисленных функций.

Автоматическое регулирование возбуждения СД может осуществляться в статических и динамических режимах по различным законам. Для статических режимов АРВ может осуществляться по одному из следующих законов [6, 16]: постоянство cosj; постоянство вырабатываемой СД реактивной мощности; постоянство напряжения в узле нагрузки; постоянство cosj узла нагрузки; минимум потерь энергии.

Подробно эти законы АРВ рассмотрены в [6, 16], здесь же сделаем только их общий обзор.

Закон регулирования на постоянство cosj СД целесообразен для приводов средней и большой мощности с плавно изменяющейся нагрузкой при небольших колебаниях напряжения в электрической сети. Обычно целесообразно поддерживать номинальный cosj СД или, при отсутствии потребности в реактивной мощности, поддерживать cosj=l, что обеспечивает минимум потерь в СД и питающей сети.

Для электроприводов средней и большой мощности с резкопеременной нагрузкой на валу целесообразен закон АРВ на постоянство отдаваемой реактивной мощности.

Этот закон обеспечивает минимальные колебания напряжения на шинах подстанции, а также максимум выработки СД реактивной мощности, ограничиваемой тепловым режимом.

При значительных колебаниях напряжения в узлах нагрузки применяется закон АРВ на поддержание напряжения. Этот закон целесообразно реализовать в мощных электроприводах с плавно изменяющейся нагрузкой и имеющих резерв мощности. При этом законе должно предусматриваться ограничение тока возбуждения снизу (по условию статической устойчивости СД) и сверху (по условиям нагрева СД).

Закон АРВ на поддержание cosj в узле нагрузки может обеспечить стабилизацию значения нормативного cosj на шинах подстанции, когда другие электроприемники подстанции работают с переменной нагрузкой, а колебания напряжения не превосходят допустимые пределы. Этот закон также целесообразно реализовывать на базе мощных СД, работающих с плавно изменяющейся нагрузкой и имеющих резерв мощности.

В современных электроприводах с СД АРВ может осуществляться и по более сложным законам.

Задачи АРВ в динамических режимах работы электропривода заключаются в повышении динамической устойчивости СД при изменениях нагрузки на его валу и демпфировании качаний ротора. Основное требование, предъявляемое к АРВ в динамических режимах, заключается в высоком быстродействии систем АРВ. Оно достигается за счет повышения кратности форсировки тока возбуждения, использования малоинерционных элементов в системе АРВ (например, тиристорных возбудителей) или введения в закон АРВ форсирующих сигналов по производным координат.

Рассмотрим пример выполнения схемы синхронного электропривода с АРВ, разработанной во ВНИИ электроприводе [6]. Система АРВ построена по принципу подчиненного регулирования координат и предусматривает регулирование трех переменных: тока возбуждения, напряжения и реактивного тока статора. Функциональная схема представлена на рис. 5.6.

Первый и второй контуры обеспечивают регулирование тока возбуждения с помощью регулятора тока возбуждения РТВ. Сигнал на входе РТВ суммируется из сигналов задания минимального тока I_вmin, обратной связи (датчик тока возбуждения ДТВ) и задания тока возбуждения, поступающего с регулятора задания тока возбуждения РЗТВ. Выходной сигнал РТВ с помощью СИФУ воздействует на тиристорный возбудитель ТВ, изменяя соответствующим образом ток возбуждения I_в.

На входе РЗТВ (второй контур регулирования) суммируются сигналы, пропорциональные квадрату активной составляющей тока статора I_а (канал: датчик активного тока ДАТ–квадратичный преобразователь ПK–форсирующий усилитель УФ), производной активного тока (канал: ДАТ–дифференцированный преобразователь ДП), а также сигнал с регулятора реактивного тока РРТ.

Регулятор реактивного тока входит в третий контур – контур регулирования реактивного тока I_р. На его входе суммируются сигналы обратной связи (датчик реактивного тока ДРТ) и два сигнала задания – от регулятора напряжения РН и сигнала I_з,р, который соответствует оптимальному значению отдаваемой мощности.

На входе РН (четвертый контур регулирования) суммируются сигналы обратной связи по напряжению U₁ (датчик напряжения ДН) и два задающих – номинального U_з и минимального U_зmin напряжений. К РН подключен специальный узел, который при снижении напряжения в сети до 0,8–0,85 оптимального резко увеличивает коэффициент усиления РН, в результате чего обеспечивается форсировка возбуждения.

Блоки управления схемы рис. 5.6 выполнены на элементах УБСР.

СХЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ СД

а) Пуск и синхронизация СД

По условиям, которые могут иметь место при работе синхронного привода, различают легкий и тяжелый пуск СД. Легкий пуск СД осуществляется при малых моментах нагрузки и моментах инерции и является наиболее благоприятным в отношении синхронизации СД с сетью. Тяжелый пуск имеет место при относительно больших моментах нагрузки и инерции. В этом случае для синхронизации СД требуется значительный входной момент СД и его синхронизация с сетью усложняется.

При пуске СД используются два основных способа его возбуждения. При относительно небольших моментах нагрузки (М_с<0,4М_ном) обмотка возбуждения СД в течение всего времени пуска постоянно (глухо) подключена к источнику возбуждения – возбудителю, который в процессе пуска самовозбуждается и обеспечивает втягивание СД в синхронизм в конце пуска.

При пуске СД с относительно большими моментами нагрузки (М_с>0,4М_ном) обмотка возбуждения СД вначале замыкается через активный резистор (в качестве которого может использоваться разрядный резистор обмотки возбуждения), а при достижении СД подсинхронной скорости обмотка возбуждения подключается к возбудителю.

Кроме различных способов подключения обмотки возбуждения пуск СД может осуществляться при полном или пониженном напряжении сети. В большинстве случаев СД мощностью до нескольких сотен киловатт, а иногда и более пускаются прямым подключением, к сети. Кратность пускового тока I_п/I_ном при прямом пуске 4–5.

При пуске СД большей мощности (несколько тысяч киловатт) возникает необходимость ограничения пусковых токов, что достигается чаще всего использованием реакторов или автотрансформаторов.

Схема статорной цепи при реакторном пуске СД приведена на рис. 5.7, а. Порядок включения СД следующий. Вначале включается выключатель QF1 при отключенном выключателе QF2 и происходит пуск СД с реактором L в цепи статора. При достижении СД подсинхронной скорости включается выключатель QF2 и шунтирует реактор L, в результате чего СД оказывается подключенным на полное напряжение сети. Автоматизация пуска осуществляется обычно в функции времени. В некоторых случаях вместо реактора L применяются активные резисторы.

Схема включения СД при использовании автотрансформатора Т показана на рис. 5.7, б. При пуске вначале замыкаются выключатели QF3 и QF1 и СД оказывается включенным на пониженное напряжение. При достижении им подсинхронной скорости отключается выключатель QF3, включается QF2 и СД подключается непосредственно на выводы питающей сети.

Сопоставление двух схем рис. 5.7 ограничения пусковых токов питающей сети показывает, что при автотрансформаторном пуске этот ток снижается пропорционально квадрату отношения напряжений СД и сети (U_д/U_с)², а при реакторном – первой степени этого отношения. Тем самым автотрансформаторный способ пуска позволяет в большей степени снизить ток, потребляемый СД из сети при пуске. Вместе с тем схема рис. 5.7, б оказывается более сложной, дорогой и менее надежной по сравнению со схемой рис. 5.7, а, поэтому она на практике применяется реже.

На рис. 5.8 показан узел схемы управления, обеспечивающей прямой пуск СД низкого напряжения с глухоподключенным возбудителем. Включение СД осуществляется нажатием кнопки SB1, после чего включается линейный контактор KМ, и СД начинает разгоняться.

Сопротивление резистора R в обмотке возбуждения ОВГ возбудителя выбирается таким образом, что его самовозбуждение происходит при подсинхронной скорости, что позволяет снизить броски тока в статоре при синхронизации СД с сетью.

В схеме рис. 5.8 предусмотрено форсирование возбуждения СД при снижении напряжения сети. Для этого в схему введены реле минимального напряжения KV и контактор форсировки KМ1, контакты которого включены параллельно резистору R. При снижении напряжения сети ниже установленного уровня реле KV отключается и замыкает свой контакт в цепи контактора KМ1. Последний, сработав, шунтирует резистор R, за счет чего происходит увеличение тока возбуждения СД. При восстановлении напряжения реле KV вновь срабатывает и отключает KМ1.

б) Схема управления низковольтным СД

На рис. 5.9 приведена схема автоматического пуска и останова СД, соответствующая серийно выпускаемой станции управления тина ПН 7401. Такие схемы используются для СД мощностью от 50 до 400 кВт, имеющих номинальные напряжения статора 220, 380 или 500 В.

В состав схемы входит следующая аппаратура: контакторы ускорения KМ1, линейный KМ2, возбуждения KМ3, форсировки KМ4; реле пусковое токовое KS, включенное на выход трансформатора тока ТА, форсировки KU, времени KТ1, KТ2; резисторы пусковой R1, возбуждения R2 и разрядный R3, кнопки пуска SB1 и останова SB2; автоматические выключатели SF и QF; выпрямитель V; лампы сигнальные HL1, HL2, HL3; резисторы вспомогательные R4–R7.

Пуск СД осуществляется нажатием кнопки SB1, после чего включается контактор KМ1 и СД подключается к сети через пусковой резистор R1. Вследствие броска пускового тока сработает реле KS, которое, в свою очередь, вызовет включение реле времени KТ1 и KТ2, подготавливающих к включению цепь линейного контактора KМ2. Происходит разбег СД с введенным в цепь его обмотки возбуждения резистором R3 (контактор KМЗ отключен контактами контактора KМ2 и реле KТ2).

При снижении тока в статоре СД ниже уставки реле KS происходит его отпускание и реле времени KТ1 теряет питание. В результате этого через некоторый интервал времени, соответствующий выдержке времени этого реле, включится контактор KМ2; обеспечивая прямое подключение СД к питающей сети.

Реле времени KТ2, потеряв питание через некоторое время после отключения KТ1, с выдержкой времени осуществит включение контактора возбуждения KМ3. Контактор KМ3 зашунтирует резистор R3 в цепи обмотки возбуждения СД, что приведет к его возбуждению и втягиванию в синхронизм. Одновременно включение KМ3 приведет к отключению контактора KМ1 и реле KS.

Форсирование возбуждения СД, выполненное с помощью аппаратов KU, KМ4 и резистора R2, осуществляется по полной аналогии со схемой рис. 5.8.

В схеме рис. 5.9 предусмотрены следующие защиты: максимальная, тепловая и от работы в асинхронном режиме, осуществляемые с помощью автоматического выключателя QF; нулевая, реализуемая линейным контактором KМ2; максимальная в цепях управления, обеспечиваемая выключателем SF.

Если сеть и СД допускают прямой пуск, то узлы схемы с контактором KМ1 и резистором R1 исключаются. При небольших моментах нагрузки двигателя (M_с<0,4М_ном) может быть реализован пуск с глухоподключенным возбудителем, для чего из схемы рис. 5.9 исключаются узлы, обведенные штрихпунктирной линией, и выполняются дополнительные соединения, показанные штриховой линией.

Лампы HL1, HL2, HL3 осуществляют сигнализацию о положении контакторов KМ1–KМ4.

в) Схема управления СД с тиристорным возбуждением

Рассмотренные схемы предусматривали возбуждение СД от электромашинного возбудителя, установленного с ним на одном валу. Такой способ возбуждения характеризуется определенными недостатками, к числу которых относятся инерционность процесса регулирования тока возбуждения СД (постоянная времени возбудителей достигает нескольких десятых долей секунды), усложнение механической части привода и ее повышенные габариты и масса.

При необходимости быстрого регулирования тока возбуждения, что требуется, например, при ударном приложении нагрузки или значительном падении напряжения сети, в современных синхронных приводах применяются тиристорные возбудители (ТВ). Они позволяют резко повысить быстродействие систем регулирования возбуждения (постоянная времени ТВ составляет 0,005–0,01 с), упростить процесс автоматизации регулирования возбуждения СД. Тиристорные возбудители, кроме того, бесшумны в работе, не требуют установки специального фундамента и более просты в эксплуатации.

Недостатком ТВ является более низкий коэффициент мощности, чем у электромашинных возбудителей. Однако этот фактор не является существенным, так как мощность ТВ составляет обычно несколько процентов мощности СД, а сам СД может обеспечить повышение cosj до необходимого уровня.

На рис. 5.10 приведена упрощенная схема синхронного высоковольтного электропривода с ТВ, выполненным по трехфазной нулевой схеме выпрямления. В состав схемы входят: трансформаторы Т2 питания ТВ, Т1 питания блока управления ТВ, ТА питания катушки токового реле KА; реле времени KТ1 и KТ2, промежуточное KV, инверторного режима KV1; контактор K, предназначенный для включения СД вентилятора охлаждения ТВ (на схеме не показан); выпрямитель V; разрядный резистор R_p. Коммутация силовой части схемы рис. 5.10 осуществляется масляным выключателем QF и разъединителями QS1 и QS2, а схемы управления – автоматическим выключателем QF1. На схеме не показаны цепи сигнализации, а блок управления тиристорным возбудителем БУТВ представлен упрощенно.

Перед пускам СД включаются разъединители QS1, QS2, выключатель QF1 и трансформатор Т2. Пуск СД осуществляется включением выключателя QF, в результате чего статор СД подключается к сети, а ТВ вследствие срабатывания контактора K, включающего двигатель вентилятора, начинает охлаждаться.

Включение аппаратов QF и KМ приведет к срабатыванию реле KТ2 и KV1, а бросок пускового тока вызовет включение реле KА и реле времени KТ1. По мере разгона СД происходит снижение тока в статоре, и при некотором его значении отключается реле, которое своим контактом разрывает цепь питания KТ1. Последнее, отсчитав свою выдержку времени, замыкает свой контакт в цепи питания реле KV и вызывает его включение. В результате срабатывания этого реле БУТВ начинает подавать управляющие импульсы на тиристоры ТВ, те откроются, в обмотку возбуждения двигателя подается ток и он втягивается в синхронизм. Реле KV, включившись, обеспечивает также питание своей катушки и катушки контактора KМ.

При отключении выключателя QF теряют питание реле KТ2 и KV1. Реле KV1 воздействует своим контактом на БУТВ, который переводит ТВ в режим инвертора, обеспечивая тем самым гашение магнитного поля двигателя. После гашения магнитного поля, время которого соответствует выдержке времени KТ2, последнее размыкает свой контакт в цепи реле KV. Отключение реле KV приведет к закрытию тиристоров ТВ и отключению двигателя вентилятора, в результате чего схема вернется в исходное положение.

Отметим, что в данной схеме БУТВ позволяет обеспечивать автоматическое регулирование тока возбуждения СД.

г) Регулирование скорости СД

Как уже отмечалось, СД применяется главным образом в электроприводе рабочих машин и механизмов, не требующих регулирования координат своего движения. Вместе с тем серийный выпуск статических ПЧ создал предпосылки для использования частотного способа регулирования скорости СД.

По своим принципам построения и структуре частотно-управляемый синхронный электропривод мало отличается от асинхронного. В то же время он имеет ряд специфических свойств, а именно, постоянство скорости независимо от момента нагрузки во всем диапазоне регулирования скорости, высокая точность синхронного движения нескольких исполнительских органов; менее резкое (по сравнению с АД) снижение перегрузочной способности привода при уменьшении напряжения сети, большие значения моментов при малых скоростях, получаемые за счет соответствующего регулирования напряжения и тока возбуждения. Свое развитие синхронный регулируемый электропривод нашел в реализации схем так называемого вентильного двигателя, который рассматривается в § 6.3.

Поиск по сайту: