Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние вопросов исследования 15
1.1. Работа синхронного электропривода поршневых компрессоров при нарушениях питания 15
1.2. Способы разгона синхронного двигателя до подсинхроннои скорости 20
1.2.1. Управление разгоном синхронного двигателя в функции скольжения 20
1.2.2. Управление разгоном синхронного двигателя в функции скольжения и внутреннего угла 22
1.2.3. Способы измерения внутреннего угла 0 синхронного двигателя 29
1.3. Способы синхронизации синхронного двигателя при самозапуске 34
1.4. Выводы и постановка задач исследования 39
2. Теоретические исследования и разработки процесса самозапуска синхронного двигателя под нагрузкой 41
2.1. Определение и реализация оптимального управления возбуждением синхронного двигателя 41
2.2. Разработка структур возбудителей и определение законов управления ими 56
2.3. Обеспечение вхождения в синхронизм синхронного двигателя под нагрузкой 68
2.4. Определение максимально допустимого начального скольжения при самозапуске синхронного электропривода поршневых компрессоров 83
2.5. Выводы 92
3. Разработка способа и устройства измерения внутреннего угла 94
3.1. Определение угла 8 по значениям напряжения и тока обмотки возбуждения 95
3.2. Анализ погрешностей измерения угла 0 и разработка способов их уменьшения 100
3.3. Выводы
4. Технические разработки и экспериментальные исследования процесса самозапуска синхронного двигателя 112
4.1. Схемы возбудителей 112
4.2. Формирователи углов коммутации возбудителей . 119
4.3. Устройство самозапуска синхронного двигателя . 126
4.4. Исследование процесса самозапуска и работы устройства самозапуска на математической и физической моделях . 133
4.5. Работа устройства самозапуска в промышленных условиях 142
4.6. Выводы 151
Общие выводы и рекомендации 152
литература 154
- Работа синхронного электропривода поршневых компрессоров при нарушениях питания
- Определение и реализация оптимального управления возбуждением синхронного двигателя
- Определение угла 8 по значениям напряжения и тока обмотки возбуждения
- Формирователи углов коммутации возбудителей
Введение к работе
Актуальность проблемы. Пятилетними планами развития народного хозяйства постоянно уделяется большое внимание повышению уровней электрификации и автоматизации производственных процессов. Одним из основных путей выполнения поставленных задач является широкое применение автоматизированного электропривода, увеличение мощности устанавливаемых электродвигателей. Этот путь ведет к интенсификации технологических процессов, но и одновременно к усилению их взаимозависимости, что утяжеляет последствия аварийных режимов, возникающих при нарушении электроснабжения промышленных предприятий. Поэтому разработка вопросов электропривода должна тесно увязываться с аварийными состояниями системы электроснабжения [I] .
Основными источниками аварий в системах электроснабжения являются нарушения питания при коротких замыканиях, глубоких понижениях и исчезновениях напряжения. Задачами проблемы бесперебойного снабжения промышленных предприятий являются уменьшение количества нарушений питания и сокращение длительности этих нарушений. Однако путь вовсе не оказывается всеобъемлющим, гарантирующим устойчивость нагрузки. Для многих непрерывных производств предприятий химической промышленности даже кратковременные - от десятых долей до нескольких секунд - перерывы питания ведут к частичному или полному расстройству технологии, возникновению больших убытков, и даже к особо опасным ситуациям - взрыву, пожару и т.п. [2-4] . На последующее восстановление технологии требуется затем значительное время.
- Опыт эксплуатации свидетельствует, что основной и массовой причиной этих аварийных остановов производства является неуспешность самозапуска тихоходных синхронных двигателей (СД) после
восстановления нормального режима электроснабжения. Эти двигатели, доля которых в энергопотреблении ряда химических производств достигает 70-75$, используется в качестве приводов ответственных агрегатов - газовых горизонтальных поршневых компрессоров среднего и высокого давлений. Один срыв самозапуска этих двигателей на предприятиях химической промышленности приводит к убыткам в среднем 30-40 тыс. руб. [1,2,4] . Известно также, что причиной большой системной аварии, произошедшей в США в 1965 году и приведшей к колоссальным убыткам, был срыв самозапуска двигателей собственных нужд крупного блока турбогенераторов [3] .
Первые работы по самозапуску были выполнены И.А. Сыромятни-ковым [5] , показавшем допустимость сохранения включенного состояния двигателей при нарушении их питания. Благодаря этому становится возможным режим самозапуска и при его успешном исходе обеспечивается сохранность технологического процесса производства. Позже вопросы внедрения самозапуска регулярно поднимались на секциях энергетики научно-технических советов ряда Министерств. Так в решении научно-технического совета Министерства химической промышленности от 1977 года по вопросу "Основные организационно-технические мероприятия по повышению надежности и экономичности работы электроустановок" указано, что вопросы самозапуска электродвигателей в целом по производствам не решаются на стадии проектирования и не всегда должным образом прорабатываются в процессе эксплуатации. Учитывая важность и насущность задачи, рекомендовано осуществлять проработку вопросов и разработку мероприятий по обеспечению самозапуска электродвигателей ответственных механизмов.
В настоящее время на стадии проектирования еще не уделяется достаточного внимания вопросам устойчивости электродвигателей при нарушениях питания [1*6] . В промышленности остается актуаль-
ной проблема самозапуска тихоходных синхронных двигателей поршневых компрессоров под эксплуатационной нагрузкой 12,7,8] . Особая сложность самозапуска этих СД определяется прежде всего пониженными значениями асинхронного момента, в частности пускового и входного, которые меньше номинального. Существенно также, то, что тихоходный электропривод поршневых компрессоров имеет малую.равную 1+4,с.электромеханическую постоянную времени. Вслед-' ствие малости постоянной времени при кратковременных - от 0,2 с и выше - нарушениях питания тихоходные СД выпадают из синхронизма и интенсивно снижают частоту вращения. Препятствием осуществлению самозапуска являются значительные пульсации момента сопротивления нагрузки.
Простыми способами, такими как эксплуатационная недогрузка или разгрузка двигателя на период его разгона, не удается решить проблему самозапуска синхронного электропривода поршневых компрессоров химических производств. Эксплуатационная недогрузка неэффективна, поскольку для осуществления успешного разгона привода при пульсирующем моменте противодействия поршневого компрессора необходима полная разгрузка двигателя, что отражено в требованиях технических условий по выполнению пуска компрессорных СД [9+12] . Кроме того.недогрузка двигателей неэкономична. Ос- v новным препятствием выполнения разгрузки СД на период самозапуска в условиях химических производств является ее инерционность. Современными средствами невозможно разгрузить компрессор за критическое время нарушения питания, в течение которого не расстраивается технология производства. Для химических производств, характеризующихся непрерывностью технологических процессов, критическое время составляет 4+5 с [2,4] . Поэтому самозацуск синхронного электропривода поршневых компрессоров химических производств должен производиться под полной эксплуатационной нагрузкой.
В разработанных способах самозапуска СД под нагрузкой с применением управлений по цепям статора и ротора СД, приводящем к увеличению электромагнитного момента, имеется ряд неисследованных вопросов, что сдерживает внедрение этого вида самозапуска в промышленность. Основным вопросом является определение и техническая реализация таких управлений, при которых двигателем развивается максимальный электромагнитный момент во всем рабочем диапазоне скольжений. Это крайне необходимо при самозапуске синхронного электропривода поршневых компрессоров из-за пониженного электромагнитного момента тихоходных СД, а также из-за значительного снижения оборотов при выбеге привода. Необходимо также решение вопроса обеспечения вхождения в синхронизм СД под нагрузкой в случае разгона до подсинхронной скорости с применением управлений, повышающих асинхронный электромагнитный момент. Для практического внедрения самозапуска на химических предприятиях совершенно необходима разработка способа и устройства измерения без подсоединения к валу СД внутреннего угла В , по которому производится управление двигателем при самозапуске. Необходимость обосновывается тем, что на химических предприятиях эксплуатируется много двигателей закрытого исполнения, работающих в агрессивных, взрывоопасных средах, у которых нет свободного доступа к валу. С точки зрения эксплуатации этот способ имеет также существенные преимущества перед способами измерения угла 0 с использованием датчиков положения ротора СД. Необходим также учет пульсаций противодействующего момента поршневых компрессоров при организации управления процессом самозапуска СД.
Таким образом, проблема самозапуска синхронного электропривода поршневых компрессоров является актуальной народнохозяйственной задачей. Ее решение позволит получить значительный эконо-
- II -
мический эффект. При обеспеченном самозапуске предотвращается расстройство непрерывных технологических процессов химических производств, что ведет к уменьшению простоев механизмов, снижению брака продукции и порчи механизмов, а в конечном счете -к значительному уменьшению убытков в производстве при авариях в системе электроснабжения.
Тема диссертационной работы непосредственно входит в общий комплекс научно-исследовательских работ по повышению надежности электрооборудования и электроснабжения промышленных предприятий, выполняемых в соответствии с программой 0.01.II по постановлению Государственного Комитета Совета Министров СССР по науке и технике № 526/260 от 22 декабря 1980 года и J6 415 от 18 ноября 1976 года.
Цель и задача работы. Цель работы состоит в повышении устойчивости синхронного электропривода поршневых компрессоров химических производств при авариях в системе электроснабжения и повышении эффективности средств самозапуска.
Для достижения поставленной цели сформулирована следущая научная задача - определить оптимальные управления разгоном и синхронизацией процесса самозапуска СД* и на их основе разработать технические средства самозапуска.
Решение указанной задачи включает:
I. Разработку оптимальных и квазиоптимальных управлений и соответствующих средств максимального повышения электромагнитного момента СД при разгоне во всем рабочем диапазоне скольжений.
х В литературе отсутствует однозначное толкование терминов "самозапуск", "процесс самозапуска", "ресинхронизация". В данной диссертации принято в соответствии с работами [5,6,21,29] "процессом самозапуска" считать разгон и синхронизацию двигателя после восстановления номинального напряжения питания.
2. Определение оптимальных управлений возбуждением СД при
вхождении в синхронизм под нагрузкой.
3. Создание способа и устройства измерения внутреннего угла
0 СД без доступа к валу.
Методы исследований. Для решения сформулированной научной задачи использованы методы теорий автоматизированного электропривода, оптимального управления и нелинейных систем автоматического управления, методы частотных характеристик и моделирования. Достоверность результатов исследований подтверждена экспериментами на физической модели и реальном синхронном электроприводе.
Научная новизна. В диссертационной работе получены следующие новые результаты:
Определен оптимальный по максимуму электромагнитного момента СД закон управления возбуждением при ограничениях на напряжение и ток обмотки возбуждения. Установлен предел повышения электромагнитного момента СД во всем рабочем диапазоне скольжений при управлении по цепи обмотки возбуждения.
Обоснована структура квазиоптимального возбудителя и определены оптимальные законы управления им по максимуму электромагнитного момента СД.
Разработана методика расчета зон синхронизации СД под-нагрузкой при произвольном способе разгона двигателя до момента включения возбуждения на синхронизацию.
Предложен метод и алгоритм расчета максимально допустимого начального скольжения, от которого осуществим самозапуск СД при пульсирующем моменте сопротивления поршневого компрессора.
Разработан способ и устройство измерения угла 0 СД без доступа к валу, произведен анализ погрешностей и предложены средства повышения точности измерений.
Практическая ценность работы зак-
- ІЗ -
лючается в разработке новых законов управления возбуждением СД, в определении в общем виде пределов повышения электромагнитного момента двигателя при всех рабочих скольжениях, в разработке методики расчета зон синхронизации и метода расчета максимально допустимого начального скольжения при разгоне двигателя, в создании устройства измерения внутреннего угла В способом, исключающем присоединение к валу СД, и разработке схемы устройства самозапуска.
Использование установленных в аналитической форме оптимальных законов управления при разгоне и синхронизации СД позволяет более просто и точно определять параметры управлений, что обеспечивает повышение эффективности средств самозапуска и ведет к сокращению количества срывов самозапуска.
Применение разработанного устройства измерения угла Э позволяет практически решить проблему внедрения на -химических производствах самозапуска СД закрытого исполнения, не имеющих свободного доступа к валу.
Реализация результатов работы.
Результаты теоретических и экспериментальных исследований положены в основу при создании устройства самозапуска, которое испытано и внедрено предприятием "Сибхимпромэнерго" на Кемеровском производственном объединении "Азот". Экономический эффект от обеспечения самозапуска в расчете на один СД составляет 6946 руб/год. Устройства измерения угла В СД, разработанные при непосредственном участии автора диссертации, защищены двумя авторскими свидетельствами.
Апробация работы. Содержание работы и ее основные положения докладывались и получили одобрение на научно-технической конференции "Механизация и автоматизация ручных и трудоемких операций в промышленности Кузбасса" (Кемерово, 1982),
на УШ+ХІ научных конференциях Кемеровского технологического института пищевой промышленности (Кемерово, І98М984), на научных семинарах кафедр "Электроснабжения промышленных предприятий" Московского энергетического института (Москва, 1982), "Теоретической электротехники и электрификации нефтяной и газовой промышленности" Московского института нефтехимической и газовой промышленности им. И.М.Губкина (Москва, 1983) и "Электрические станции" Донецкого политехнического института (Донецк, 1984).
Публикации. По результатам выполненных теоретических и экспериментальных исследований опубликовано 4 печатных работы и получено 2 авторских свидетельства.
Автор защищает. На защиту выносятся следующие основные положения:
Оптимальный закон управления возбуждением СД по критерию максимума электромагнитного момента при ограничениях на напряжение и ток обмотки возбуждения.
Структуру, схемы и оптимальные законы управления возбудителями.
Методику расчета зон синхронизации СД под нагрузкой с учетом способа разгона до включения возбуждения на синхронизацию.
Метод и алгоритм определения максимально допустимого скольжения в начале разгона СД при пульсациях момента сопротивления компрессора.
Способ и устройство измерения угла Э СД без доступа к валу по значениям напряжения и тока обмотки возбуждения.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, включающего НО наименований на II страницах. Материал диссертации изложен на 164 страницах машинописного текста, включает 58 рисунков и 3 таблицы. Диссертация содержит 6 приложений, изложенных на 31 страницах.
Работа синхронного электропривода поршневых компрессоров при нарушениях питания
Использование установленных в аналитической форме оптимальных законов управления при разгоне и синхронизации СД позволяет более просто и точно определять параметры управлений, что обеспечивает повышение эффективности средств самозапуска и ведет к сокращению количества срывов самозапуска.
Применение разработанного устройства измерения угла Э позволяет практически решить проблему внедрения на -химических производствах самозапуска СД закрытого исполнения, не имеющих свободного доступа к валу.
Результаты теоретических и экспериментальных исследований положены в основу при создании устройства самозапуска, которое испытано и внедрено предприятием "Сибхимпромэнерго" на Кемеровском производственном объединении "Азот". Экономический эффект от обеспечения самозапуска в расчете на один СД составляет 6946 руб/год. Устройства измерения угла В СД, разработанные при непосредственном участии автора диссертации, защищены двумя авторскими свидетельствами.
Апробация работы. Содержание работы и ее основные положения докладывались и получили одобрение на научно-технической конференции "Механизация и автоматизация ручных и трудоемких операций в промышленности Кузбасса" (Кемерово, 1982), на УШ+ХІ научных конференциях Кемеровского технологического института пищевой промышленности (Кемерово, І98М984), на научных семинарах кафедр "Электроснабжения промышленных предприятий" Московского энергетического института (Москва, 1982), "Теоретической электротехники и электрификации нефтяной и газовой промышленности" Московского института нефтехимической и газовой промышленности им. И.М.Губкина (Москва, 1983) и "Электрические станции" Донецкого политехнического института (Донецк, 1984).
Публикации. По результатам выполненных теоретических и экспериментальных исследований опубликовано 4 печатных работы и получено 2 авторских свидетельства. Автор защищает. На защиту выносятся следующие основные положения: 1. Оптимальный закон управления возбуждением СД по критерию максимума электромагнитного момента при ограничениях на напряжение и ток обмотки возбуждения. 2. Структуру, схемы и оптимальные законы управления возбудителями. 3. Методику расчета зон синхронизации СД под нагрузкой с учетом способа разгона до включения возбуждения на синхронизацию. 4. Метод и алгоритм определения максимально допустимого скольжения в начале разгона СД при пульсациях момента сопротивления компрессора. 5. Способ и устройство измерения угла Э СД без доступа к валу по значениям напряжения и тока обмотки возбуждения. Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, включающего НО наименований на II страницах. Материал диссертации изложен на 164 страницах машинописного текста, включает 58 рисунков и 3 таблицы. Диссертация содержит 6 приложений, изложенных на 31 страницах. На предприятиях химической промышленности в качестве приводов ответственных механизмов широко применяются синхронные двигатели (СД). Основную долю (до 75$ энергопотребления [2] ) составляют тихоходные СД (с числом пар полюсов более 6 [8] ), используемых в качестве привода поршневых компрессорных установок, предназначенных для сжатия воздуха, различных газов и их смесей до высоких и средних давлений. Надежная работа этих приводов неразрывно связана с обеспеченностью самозапуска СД под эксплуатационной загрузкой. Это позволит сохранить непрерывность технологического процесса при кратковременных нарушениях питания и избежать развития аварии на производстве и значительных материальных потерь, составляющих в среднем 30-40 тыс. руб. на одно нарушение [1,2,4,16-18] .
Самозапуск СД состоит из этапов выбега и собственно процесса самозапуска [5,8,21,29] после восстановления питания.
При глубоких понижениях напряжения сети, вызванных короткими замыканиями в ней, перерывами питания в результате действия АВР и АПВ, двигатель переходит в режим выбега. Уменьшение числа оборотов СД при выбеге происходит под действием тормозного момента, складывающегося из моментов нагрузки и генераторного [19,20] . Степень снижения оборотов двигателя зависит от величины тормозного момента, уровня посадки напряжения сети и длительности нарушения питания. При исчезновении питания выбег двигателей, подсоединенных к общим для них шинам, будет групповым, сопровождающийся обменом электромагнитной энергией между ними. Характер изменения числа оборотов при этом определяется величинами тормозного момента и электромагнитного вращающего, обусловленного наличием остаточного напряжения на шинах. Закон изменения этого напряжения зависит от многих факторов - от соотношения в группе мощностей синхронных и асинхронных двигателей, их электромеханических постоянных, системы возбуждения и др. [3,19,21,22] . Индивидуальный выбег СД, отдельно отключенных от сети, а также при коротких замыканиях нереактированных сетей определяется практически величиной момента нагрузки.
Опытные испытания, эксплуатация и исследования свидетельствуют, что время, в течение которого СД могут остаться в синхронизме при отключениях их питания или близких КЗ на нереактированных линиях, не превышает 0,3-0,4 с [19,23-25,106 и др.] , а при механических постоянных времени привода Tj. , меньших 5с, - не более 0,2 с [8,23,25,26] (рис. I.I, 1.2).
Постоянная времени привода для поршневых компрессоров с тихоходными СД составляет величину порядка 1 4 с. Следовательно, при названных коротких замыканиях уже через 0,2 с двигатели привода поршневых компрессоров выпадут из синхронизма. Кроме того известно, что даже при отключении коротких замыканий без выдержек времени за время порядка 0,1 с высокозагруженных СД с значениями TJ = 1-3 в сетях с большими реактивными сопротивлениями двигатели успевают выпасть из синхронизма [19] .
Определение и реализация оптимального управления возбуждением синхронного двигателя
Условия, которые имеют место при самозапуске СД под нагрузкой, близкой к номинальной, существенно отличаются от названных. Так как синхронизация СД под нагрузкой невозможна из-за неблагоприятной асинхронной характеристики, что выражается в невыполнении условия (1.9), то, применяя названные выше способы повышения электромагнитного момента, двигатель разгоняют до скольжений меньших критического. В этом случае в момент подачи в обмотку напряжения возбуждения тормозной момент превышает асинхронный момент СД с короткозамкнутой обмоткой возбуждения. Тогда определяющим является синхронный момент, который в отличие от асинхронного зависит от углового положения ротора [5,8,21,75] . Поэтому, при подаче возбуждения в неблагоприятный по углу о момент времени двигатель в синхронизм не входит [6] .
На необходимость учета углового положения ротора в момент подачи возбуждения на синхронизацию указано многими исследователями в своих работах [6,29,49,76+79,104,105,108,109] , причем чотмечено, что с увеличением активного сопротивления статорных цепей, постоянных времени привода и обмотки возбуждения роль углового положения ротора возрастает. Подача форсированного возбуждения с учетом положения ротора сопровождается повышением момента при входе в синхронизм примерно на 15% [5,19] , а также позволяет синхронизировать СД при форсированном возбуждении не менее 2 о,е. со скольжений в 1,5-гЗ раза превышающих критическое [49] .
В некоторых типах серийно выпускаемых возбудителей предусматривается подача возбуждения с учетом углового положения ротора [19,40,79] . Возбуждение подается при угле 8 , когда ток возбуждения обращается в нуль, чему соответствует 6 0. По способу, изложенному в[109] , возбуждение на синхронизацию под нагрузкой следует подавать в момент совпадения полей статора и ротора - при 9 = 0.
Влияние угла 0 в момент подачи возбуждения на процесс и успешность втягивания двигателя в синхронизм проанализировано в работе [79] . Установлено, что оптимально возбуждение должно быть подано либо с упреждением при 8=270-5-300, либо с запаздыванием на 40+70, а угол 9=0 не является оптимальным для ресинхронизации. Эти результаты получены для случая ресинхронизации СД после его разгона с пусковым сопротивлением методом, включающим расчет по полным уравнениям Парка-Горева моментов и токов в процессе синхронизации и выявление закономерностей их изменения при вариациях угла 9 подачи возбуждения и кратности форсировки возбуждения. Такой метод по своей сути сложен для использования его в инженерной практике.
В работе [НО] определяются благоприятные моменты включения возбуждения СД, разгон которого до синхронизации осуществляется по схеме с пусковым сопротивлением. Электромагнитный момент двигателя представляется в виде суммы двух составляющих: постоянной составляющей М0, уравновешивающей момент сопротивления, и переменной Мп, обусловленной дополнительным током в обмотке после включения возбуждения. Основные результаты расчетов представляются в виде графика в функции угла В энергии синхронизирующих сил, равной работе момента Мд при синхронизации. Наиболее благоприятный по углу 0 момент подачи возбуждения соответствует максимуму энергии синхронизирующих сил.
На необходимость учета конечной скорости нарастания тока возбуждения, особенно у СД большой мощности, указывается в [6, 23] . Величиной этого тока определяется синхронный момент, который при постепенном нарастании тока остается меньше синхронного статического момента, который используется при выводе критериев (1.8,1.10,1.11). Кроме того, если ток возбуждения достигнет значения близкого к установившемуся при неблагоприятном положении ротора, то двигатель не войдет в синхронизм.
Неправомерен также неучет асинхронного момента обмотки возбуждения [74] при синхронизации, так как известно, что этот момент становится максимальным при малых скольжениях и здесь его величина даже превосходит момент демпферной обмотки.
В целом анализ работ по синхронизации позволил установить, что для двигателей с малым входным моментом, какими являются тихоходные СД, вхождение в синхронизм может быть обеспечено при подаче возбуждения в функции углового положения ротора. Успешность синхронизации зависит от начальных условий (значений скольжения, угла 0 , тока возбуждения) в момент подачи возбуждения. Поэтому совершенно необходим учет способа разгона двигателя до синхронизации, так как самозапуск СД поршневых компрессоров базируется на управлении возбуждением по максимуму электромагнитного момента, а способ управления возбуждением непосредственно определяет начальные условия процесса синхронизации.
Определение угла 8 по значениям напряжения и тока обмотки возбуждения
Физический смысл этого условия состоит в том, что поданное напряжение возбуждения должно по крайней мере лишь препятствовать уменьшению тока в обмотке возбуждения ниже величины I ьо , при этом не имеет никакого значения, сколько времени ток в обмотке будет возрастать до его установившегося значения. Кроме того, расчет областей устойчивости с изменяющимся током возбуждения, сводящийся к методу прямого перебора фазовых траекторий, по трудоемкости организации и производства вычислений намного сложнее расчета сепаратрис. Так время расчета всего семейства сепаратрис, представленного на рис. 2.9 с использованием при решении дифференциального уравнения метода Кутта-Мерсона, на ЭВМ EC-I022 не превышает 3 мин. Программа расчета приведена в приложении 3.
Если при синхронизации подается форсированное возбуждение кратности Кл, то ординаты графиков токов увеличиваются в К раз. Действительно, токи на рис. 2.II, 2.12 имеют ординаты 1B0/IBH , а границы областей устойчивости - 1вс/1вн 3оны синхронизации строятся по точкам пересечения этих графиков, в которых соблюдается равенство IB0 = IBC . Следовательно, при форсировке в Кф раз для выполнения условий 1В0 = 1ьс отношение 1вс / 1вн нужно уменьшить в Кф раз. Это равносильно увеличению ординат токов в Кф раз при неизменных границах областей устойчивости. На рис. 2.II и 2.13 все построения, за исключением зоны 4, выполнены для форсировки в 1,7 раза. Следует отметить, что без этой форсировки все зоны уменьшаются, а зона 2 для схемы с пусковым сопротивлением существует только для неавтономной системы.
На рис. 2.13 нанесены для способов разгона СД с применением возбуждения линии подачи 8 и снятия 9 напряжения такой полярности, которая совпадает с полярностью напряжения при синхронизации. Так как зоны синхронизации 3 6 этих способов находятся между линиями 8 и 9, то при уменьшении скольжения ниже верхней границы зоны в цикле подачи возбуждения для вхождения СД в синхронизм последующего отключения возбуждения не потребуется.
Сравним полученные результаты с известными критериями синхронизации. Так, вхождение в синхронизм после подачи возбуждения будет обеспечено, если двигатель развернется при короткозамкну-той обмотке возбуждения до критического скольжения 3,7$ или 4,06$ вычисленного, соответственно, по формулам (I.II) и (I.I2). Однако данный двигатель с номинальной нагрузкой разворачивается лишь до скольжения 1% (рис. 2.8). Значит, эти критерии не дают практического ответа на вопрос о способе синхронизации двигателя при самозапуске под нагрузкой.
Таким образом, синхронизация под нагрузкой осуществима только при подаче возбуждения в момент времени, контролируемый по угловому положению ротора, величине скольжения и значению начального тока возбуждения, определяемого разностью полного тока и вынужденной составляющей тока короткозамкнутой обмотки возбуждения. При учете конечной скорости нарастания тока в обмотке возбуждения после подачи на нее напряжения определяющим является не время нарастания тока, а его начальное значение, от которого происходит его изменение до установившегося значения. Получены зоны синхронизации, их форма определяется способом разгона двигателей до момента подачи постоянного напряжения возбуждения.
С учетом изложенного определение зон синхронизации производится по следующему алгоритму: I. По уравнению динамики СД для автономной системы (2.55) рассчитываются сепаратрисы при различных фиксированных значениях тока возбуждения IBC . Результаты расчетов представляются в виде границ областей устойчивости СД, образующих семейство по скольжению S (рис. 2.II, 2.12). 2. Для заданного способа разгона двигателя до синхрониза ции рассчитываются в функции скольжения S и угла Э значения тока 1во как разность полного тока обмотки возбуждения 1в(-0) до подачи напряжения на синхронизацию и составляющей тока 1вкз(-0) короткозамкнутой обмотки возбуждения (2.53). Токи 1ь(-0) и 1Всз(-0) могут быть определены экспериментально в опытах разгона СД, соответственно, с применением управления возбуждением и при короткозамкнутой обмотке возбуждения. 3. Совмещаются на одной плоскости графики областей устойчивости и токов 1во для различных скольжений. Если на синхронизацию подается форсированное возбуждение кратности К , то ординаты графиков областей устойчивости уменьшаются в К раз или ординаты графиков токов 1во увеличиваются в К раз. 4. Точки пересечения областей устойчивости и графиков токов 1во , взятых при одном и том же скольжении $ , дают значения угла 0 . По этим значениям скольжения $ и угла 0 строятся зоны синхронизации для заданного способа разгона СД и кратности форсировки напряжения возбуждения, подаваемого на синхронизацию двигателя. Таким образом, определение зон синхронизации производится по линейному алгоритму (прямым счетом, без итераций) с использованием параметров схемы замещения СД, нагрузки, способа его разгона и кратности форсировки напряжения возбуждения, подаваемого на синхронизацию двигателя. Для электропривода с синхронными двигателями величину максимального скольжения, от которого допустимо производить самозапуск, определяют из условия, чтобы температура перегрева демпферной обмотки за время разгона двигателя не превысила бы 300 С 23, 72, 88] .
Практически это сводится к определению скольжения по механической характеристике двигателя при величине его электромагнитного момента, превышающего момент сопротивления в начале разгона на 10-30$ [8,19] . Однако момент сопротивления поршневых компрессоров пульсирует с большой амплитудой достигающей 50 -- 150$ номинального момента L9] . И, поэтому, даже при значительной разгрузке компрессора положение его вала в момент повторного включения СД может оказаться таким, что момент сопротивления компрессора превысит электромагнитный момент двигателя. Тем не менее, двигатель может развернуться, если кинетическая энергия вращающихся масс привода имеет достаточную величину, т.е. двигатель при повторном его включении должен уже иметь некоторую ненулевую скорость.
В связи с этим возникают две задачи: определения начального скольжения, от которого возможен разгон СД без учета нагрева его демпферной обмотки, и определение скольжения, от которого допустим самозапуск СД по условию перегрева его демпферной обмотки.
Формирователи углов коммутации возбудителей
Так как значения X в (Iв) на прямой и обратной ветвях гистерезисной кривой намагничивания I не равны между собой, а в блоке 6 моделируется однозначная кривая намагничивания 2, то ее координаты определены таким образом, что угловые коэффициенты к ней в каждой точке равны среднему значению угловых коэффициентов на ветвях гистерезисной кривой, причем все три коэффициента вычисляются при одном и том же токе.
Основная погрешность при определении угла 8 с помощью устройства, изображенного на рис. 3.3, возникает при выполнении интегрирования с помощью блока 2. В процессе работы СД происходит изменение активного сопротивления обмотки возбуждения RB вследствие изменения ее температуры, вытеснения тока, а также возникают погрешности в изменении тока l/B . Это приводит к тому, что значение внутреннего падения напряжения UBH , формируемое блоками 3 и 4, где заложена постоянная величина RB , отличается от истинного. Возникают также случайные погрешности в измерении напряжения Ив .В итоге значение 6S , сформированное блоком I, определяется с некоторой погрешностью, величина которой реально непредсказуема. Тогда на интеграторе 2 эта погрешность приводит к прогрессирующей (накапливающейся во времени) погрешности в определении lL, (3.15). Установлено практически, что после подачи возбуждения, приводящего к нагреву обмотки возбуждения, погрешность в определении Vji , достигает ЮС$ за время 3-5 секунд, что сравнимо с временем самозапуска.
Для устранения этой погрешности в устройство, изображенное на рис. 3.7 введен блок коррекции 2, развернутая схема которого приведена на рис. 3.8. Коррекция производится следующим образом. Согласно (3,14) в моменты, когда достигает минимума или максимума, равного амплитуде = соплі , э.д.с. (3$ обращается в нуль. Блоком 2 в моменты перехода 6$ через нуль формируются импульсы, подаваемые на плюсовой вход интегратора 3. Постоянная интегрирования по этому входу выбрана намного меньшей постоянной интегрирования по инвертирующему входу. Поэтому за время действия импульса коррекции на выходе интегратора 3 устанавливается амплитудное значение +QL . Знак выходного сигнала определяется знаком импульса коррекции. Коррекция производится периодически через каждые 180 изменения угла В . Погрешность в определении 0 накапливается только в течение времени проворота ротора на 180. Это время при разгоне СД составляет десятые доли секунды, поэтому погрешность определения угла В невелика и не превышает 2 5. Этим способом можно измерять угол Q только в переходных режимах, так как при синхронной скорости блок коррекции 2 работать не будет и, поэтому, сигнал интегратора 3 будет изменяться непредсказуемо.
Работает блок коррекции следующим образом. При переходе значения -63 » например, с плюса на минус на входе триггера Шмитта АІ его выходной сигнал, представляющий собой меандр, также изменяется с плюса на минус. Этот сигнал после прохождения фильтров на элементах DI, ДІ, RI, СІ, Д2, R2, С2 вызывает изменение состояния RS- триггера на элементах 1)2 и БЗ. Сигнал коррекции образуется в результате дифференцирования цепочкой СЗ--R3 выходного сигнала RS- триггера. Введение фильтра необходимо для обеспечения правильной работы блока коррекции, который должен выдавать сигнал коррекции только при переходе -Q„ через нуль. Однако в сигнале э.д.с. -Є$ при работе устройства измерения угла 8 в схемах тиристорних возбудителей СД, как было установлено, содержатся импульсные помехи. Интенсивность этих помех возрастает при использовании в схеме устройства измерения угла 0 пассивного дифференцирующего звена на элементах CI-RI-R2. Фильтр обеспечивает подавление импульсных помех введением задер- и вычисленное по выражению (3.27) (пунктирная линия). жек на элементах R2-C2 и RI-CI, которыми предотвращается срабатывание RS-триггера в течение времени действия помехи.
Действие блока периодической коррекции иллюстрируется на рис. 3.9. На рис. ЗЛО. для двигателя ДСКП-260/24-36 приведены графики точного значения продольной составляющей потокосцепления статора ф. и рассчитанного по выражению
Это выражение получено из точного выражения (3.6), определяющего потокосцепление Ф,, через напряжение Ыв и ток 1в возбуждения, путем замены в последнем членов, соответствующих (3.7) и (3.10), постоянными величинами, соответственно, 0,98 и 1,05. Это средние значения выражений (3.7) и (ЗЛО) в диапазоне скольжений от 0,1 до 0,04.Из графиков видно, что амплитуда потокосцепления Ф, в этом интервале скольжения отличатся менее, чем на 4$. Погрешность же по углу "0 в соответствии с данными табл. 3.1 не превышает 3,5. Таким образом, определение угла 6 с использованием выражения (3.27) дает достаточную для практики точность при том достоинстве, что в схеме устройства измерения утла 9 будет отсутствовать источник помех - пассивное дифференцирующее звено на элементах СІ-И-Е2. 1. Разработан способ и устройство измерения утла В СД без доступа к валу по значениям напряжения и тока обмотки возбуждения. 2. Произведен анализ погрешностей, возникающих вследствие неточного задания активных и индуктивных сопротивлений обмоток двигателя. 3. Предложены способы повышения точности измерения утла 8 введением периодической коррекции, поправок и учетом насыщения стали магнитопровода. 4. Разработано устройство непрерывного измерения угла 0 с использованием трехфазного тахогенератора в качестве датчика положения ротора двигателя.
