Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Общая характеристика систем автоматического регулирования возбуждения синхронных двигателей 11
1.1. Анализ нагрузочных режимов синхронных двигателей электроприводов ОАО «ММК» 12
1.2. Требования, предъявляемые к системам АРВ СД 13
1.3. Анализ показателей качества работы синхронных электроприводов 16
1.4. Законы автоматического регулирования возбуждения СД
1.4.1. Закон АРВ на постоянство реактивной мощности СД 24
1.4.2. Законы АРВ на постоянство cosp 25
1.4.3. Закон АРВ на поддержание напряжения в узле
нагрузки 27
1.4.4. Законы комбинированного АРВ 28
1.5. Анализ эксплуатируемых систем АРВ СД 32
1.5.1. Системы АРВ СД на базе возбудителей серии ТЕ8-320 33
1.5.2. Системы АРВ СД серии ТВУ 35
1.5.3. Системы АРВ СД серии КТУ 36
1.5.4. Системы АРВ СД серии ТВ 40
1.5.5. Микропроцессорная система АРВ 41
1.6. Выводы и постановка задачи исследований 44
Глава 2. Разработка синхронных электроприводов с улучшенными энергетическими характеристиками 47
2.1. Характеристики сд как источника реактивной мощности 47
2.2. Располагаемая реактивная мощность СД 49
2.3. Влияние режима возбуждения СД на отклонение напряжения сети
2.4. Влияние режима возбуждения на активные потери в СД 55
2.5. Способ регулирования возбуждения СД, обеспечивающий минимум суммарных электрических потерь
2.5.1. Принцип векторного управления 59
2.5.2. Устройство для управления возбуждением 61
ВЫВОДЫ 65
Глава 3. Разработка синхронных электроприводов с улучшеінньіми динамическими характеристиками и показателями надежности 67
3.1. Способ АРВ СД в функции активной мощности 68
3.2. Способ регулирования по отклонению тока статора от его активной составляющей 74
3.3. Способ АРВ по производной тока статора 74
3.4. Способ контроля теплового состояния СД 78
Выводы 83
Глава 4. Математическое моделирование разработанных систем АРВ СД 85
4.1. Разработка математической модели синхронного двигателя 86
4.1.1. Уравнения состояния синхронного двигателя 86
4.1.2. Система в относительных единицах 90
4.1.3. Моделирование узла нагрузки 95
4.1.4. Структурная схема модели СД
4.2. Математическое моделирование системы векторного управления синхронным двигателем 100
4.3. Исследование разработанных систем демпфирования колебаний ротора С Д 1 4.3.1. Параметры математической модели 103
4.3.2. Результаты исследования систем демпфирования колебаний 106 4.3.3. Исследования систем АРВ с упреждением корректирующего
сигнала 108
Выводы 111
Глава 5. Экспериментальные исследования разработанных систем АРВ СД 113
5.1. Описание лабораторной экспериментальной установки 113
5.2. Датчики параметров 115
5.3. Исследования электроприводов при различных законах управления возбуждением СД 1 5.3.1. Регулирование по току нагрузки и его производной 123
5.3.2. Исследование системы векторного управления 129
5.3.3. Регулирование по внутреннему углу в 132
5.3.4. Регулирование по углу (р 135
5.4. Промышленные испытания системы векторного управления 138
5.4.1. Настройка АРВ СД в условиях цеха 138
5.4.2. Оценка технико-экономической эффективности 140
Выводы 143
Заключение 144
Литература
- Анализ показателей качества работы синхронных электроприводов
- Влияние режима возбуждения СД на отклонение напряжения сети
- Способ регулирования по отклонению тока статора от его активной составляющей
- Структурная схема модели СД
Введение к работе
Актуальность темы. Металлургические предприятия потребляют около 14% топлива и 12% вырабатываемой в России электроэнергии. В себестоимости металла доля энергетических ресурсов постоянно растет и за последнее десятилетие увеличилась с 18-22% до 35-45%. Эта тенденция заставляет более тщательно относиться к экономии электроэнергии, особенно энергоемких объектов.
К наиболее энергоемким электромеханическим приемникам металлургических предприятий относятся синхронные двигатели (СД), с единичной установленной мощностью до 20 МВт. Одним из важнейших резервов снижения электропотребления является использование в более полной мере способности СД работать с оптимальным потреблением тока в зависимости от напряжения сети и нагрузки на валу двигателя. Реализация такого режима обеспечивается соответствующими системами автоматического регулирования возбуждения (АРВ). Разработка и внедрение систем АРВ СД позволяет использовать с полной отдачей уже установленное оборудование и получить значительный экономический эффект практически без дополнительных капитальных затрат.
В результате исследований режимов работы синхронных электроприводов, проведенных в подразделениях ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат» («ММК»), установлено, что большая часть СД, оборудованных быстродействующими системами АРВ, работает в разомкнутой системе с постоянным током возбуждения. Основными причинами этого является моральный и физический износ, низкая эксплуатационная надежность существующих тиристорных возбудителей, большинство из которых изготовлены в 70-е-80-е годы. Очевидно, что подобная ситуация сложилась на большинстве отечественных металлургических предприятий.
Отсутствие автоматического регулирования возбуждения отрицательно сказывается на эксплуатационных характеристиках синхронного электропривода: энергетических показателях, устойчивости в режимах изменения нагрузки и соответственно на надежности. Вместе с тем, как показали результаты литературного обзора, исследования в направлении разработки систем АРВ СД, обеспечивающих улучшение эксплуатационных характеристик, в последние годы практически не проводятся.
При существующем состоянии металлургии и, в частности, прокатного производства использование сетевых СД, работающих с постоянной скоростью, является оправданным.
Цель работы. Целью диссертационной работы является разработка систем автоматического регулирования возбуждения синхронных электроприводов, обеспечивающих улучшение энергетических характеристик и показателей надежности в различных режимах изменения нагрузки.
Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач:
Анализ энергетических показателей синхронных двигателей, оценка резервов реактивной мощности СД (на примере ОАО «ММК»), с целью определения приоритетных направлений разработки перспективных систем АРВ.
Разработка системы АРВ СД, обеспечивающей уменьшение потерь электрической энергии за счет снижения потребления реактивной мощности.
Разработка способов управления и систем АРВ, обеспечивающих повышение надежности путем демпфирования колебаний ротора в режимах ударного изменения нагрузки, а также контроля теплового состояния СД.
4. Разработка математической модели синхронного электропривода,
снабженного предложенными системами АРВ, исследование динамических
режимов методами математического моделирования.
Создание лабораторной установки, экспериментальные исследования разработанных и известных электроприводов, сравнительный анализ динамических характеристик.
Промышленная реализация, оценка технико-экономических показателей разработанной системы АРВ СД с улучшенными энергетическими характеристиками.
Дополнительным требованием к разрабатываемым системам АРВ является простота в настройке и обслуживании, а также совместимость с системами управления отечественных тиристорных возбудителей.
Методика проведения исследований. Теоретические исследования основывались на положениях теории электропривода, теории автоматического регулирования, аналитической теории синхронной машины. При моделировании использовался программный пакет MATLAB 6.0, а также входящий в его состав пакет визуального программирования SIMULINK. Экспериментальные исследования проводились на созданной лабораторной установке и действующем промышленном объекте путем прямого осциллографирования основных параметров с последующей их обработкой.
Основные положения и результаты, выносимые на зашиту:
1. Результаты оценки располагаемой реактивной мощности, анализа
режимов нагрузки, динамических и энергетических характеристик СД ОАО
«ММК».
Система векторного управления возбуждением СД со спокойной нагрузкой, обеспечивающая поддержание cosg>Qn = 1, имеющая наиболее простую структуру по сравнению с известными трехконтурными системами АРВ.
Способы и устройства АРВ, обеспечивающие улучшение демпфирования колебаний ротора СД в режиме ударного приложения нагрузки.
Способ непрерывного контроля и автоматического регулирования теплового состояния СД в функции среднеквадратичного тока обмотки возбуждения, позволяющий увеличить надежность работы двигателя без установки специальных датчиков теплового состояния.
Результаты теоретических и экспериментальных исследований, подтвердившие существенное улучшение динамических и энергетических характеристик электропривода в разработанных системах АРВ и повышение показателей надежности.
Результаты промышленного применения системы векторного управления возбуждением синхронного электропривода турбокомпрессора 10000 кВт ВТК-4 ОАО «ММК», подтвердившие высокую технико-экономическую эффективность ее применения.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается правомерностью принятых исходных положений и предпосылок, корректным применением методов математического моделирования, практической реализацией и экспериментальными исследованиями разработанных систем АРВ СД в лабораторных и промышленных условиях.
Научная новизна. В процессе решения поставленных задач получены следующие новые научные результаты:
1. Разработана система векторного управления синхронным двигателем,
реализующая способ, обеспечивающий поддержание costprn =1 независимо
от режима нагрузки.
Разработаны способ и устройство АРВ СД преобразовательного агрегата, обеспечивающие демпфирование колебаний ротора в режиме ударного изменения нагрузки путем автоматического регулирования возбуждения в функции разности электромагнитной мощности и мощности на валу СД.
Разработаны способ и устройство АРВ СД, обеспечивающие улучшение демпфирования колебаний ротора за счет введения обратной связи по активной составляющей тока статора и его производной.
Разработаны способ и устройство АРВ в функции разности полного тока статора и его активной составляющей, обеспечивающие улучшение динамических показателей СД.
Разработан способ непрерывного контроля и автоматического регулирования теплового состояния СД в функции среднеквадратичного тока обмотки возбуждения, позволяющий повысить надежность работы электропривода без установки специальных датчиков теплового состояния.
В результате теоретических и экспериментальных исследований доказано, что разработанные системы АРВ обеспечивают улучшение энергетических характеристик синхронного электропривода в режиме плавного изменения нагрузки и улучшение динамических показателей и надежности при ударном изменении нагрузки.
7. Подтверждены принципиальная возможность и высокая технико-экономическая эффективность промышленного применения разработанной системы векторного управления синхронным электроприводом.
Новизна представленных разработок подтверждается пятью авторскими свидетельствами на изобретения.
Практическая ценность и реализация работы состоит в том, что в результате проведенных теоретических и экспериментальных исследований
Разработаны устройства, позволяющие практически реализовать предложенные принципиально новые способы автоматического управления возбуждением, обеспечивающие улучшение эксплуатационных характеристик синхронного электропривода.
Создана действующая экспериментальная установка, позволяющая осуществить исследования разработанных систем автоматического регулирования возбуждения.
Разработанная система АРВ, реализующая принцип векторного управления, исполнена для синхронного двигателя турбокомпрессора 10000 кВт ВТК-4 в кислородном цехе ОАО «ММК». Показано, что она обеспечивает устойчивую работу СД с коэффициентом мощности, равным единице во всех технологических режимах. Ожидаемый технико-экономический эффект за счет снижения потерь электрической энергии составляет не менее 1 млн. кВт-ч/год
Результаты диссертационной работы переданы в центральную электротехническую лабораторию ОАО «ММК» в виде «Рекомендаций по реконструкции систем автоматического регулирования возбуждения синхронных электроприводов с вентиляторной нагрузкой», что подтверждено соответствующим актом.
Полученные результаты рекомендуются для использования при наладке существующих систем АРВ СД агрегатов металлургического производства, а также при разработке новых систем АРВ.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались: на ГУ Международной (XV Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу АЭП-2004 (г. Магнитогорск, 2004 г.); Международной научно-технической конференции «Электроэнергетика, электротехнические системы и комплексы» (г. Томск,
г.); 62-й, 63-й научно-технических конференциях по итогам научно-исследовательских работ (г. Магнитогорск, МГТУ, 2003, 2004 г.г.); объединенном научном семинаре кафедр энергетического факультета и факультета автоматики и вычислительной техники МГТУ (г. Магнитогорск, декабрь
г.).
Публикации. Основное содержание диссертационной работы опубликовано в 16 печатных трудах, в том числе в пяти авторских свидетельствах на изобретения.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 115 наименований. Работа изложена на 157 страницах основного текста, содержит 65 рисунков, 7 таблиц и приложение объемом 3 страницы.
Анализ показателей качества работы синхронных электроприводов
Для оценки работы СД вводят ряд показателей работы, зависящих от режима возбуждения, которые характеризуют как режимы работы самого двигателя, так и параметры, существенные для эксплуатации смежных потребителей. К ним относятся надежность работы двигателя, устойчивость, снижение потерь в двигателе и распределительной сети, стабилизация напряжения, генерирование реактивной мощности, улучшение режима приводного механизма при колебаниях и др. [16]. Для обеспечения количественных норм этих показателей предъявляются жесткие требования к значению и изменениям тока возбуждения при изменении параметров режима, влияющих на заданные показатели. В зависимости от условий работы электропривода и требований системы электроснабжения система АРВ должна одновременно выдерживать соответствие нескольким показателям работы СД. Однако лишь некоторые из них совместимы, например, стабилизация напряжения совместима с генерированием реактивной мощности и с увеличением устойчивости. Большинство же показателей, как правило, несовместимы, т.е. выполнение одного из этих показателей противоречит другому [16]. Несовместимы минимизация потерь и повышение устойчивости, т.к. по минимуму потерь требуется снижать возбуждение, а по условию устойчивости - повышать. При демпфировании колебаний ток возбуждения должен снижаться раньше, чем будет достигнут максимальный угол нагрузки в, что приводит к увеличению колебаний напряжения и снижению динамической устойчивости. Напротив, обеспечение наилучшей стабилизации напряжения отрицательно влияет на эффект демпфирования, т.к. ток возбуждения при стабилизации напряжения должен изменяться синфазно с колебаниями угла в.
В связи с указанными противоречиями среди показателей устанавливается определенная предпочтительность. Главным условием является обеспечение устойчивости, т.е. выполнение других показателей ограничено пределами, переход за которые нарушает работу двигателя (может быть допустимо нарушение синхронной устойчивости и сохранение результирующей).
Следующая группа показателей определяется техническими требованиями: стабилизацией напряжения (если возможно) при отклонении его за технически допустимые нормы; снижением воздействий, приводящих к нарушениям работы самого двигателя или смежных приемников и сказывающихся на нормальном ходе технологического процесса, например, уменьшением больших качаний ротора при периодической нагрузке. К подобным воздействиям могут быть также отнесены перегревы двигателей из-за колебаний, приводящие к отключению его от сети, повышенный износ механизмов и др.
Последняя группа показателей - экономическая. К этой группе относятся стабилизация напряжения в пределах допустимого диапазона, выдача или потребление реактивной мощности для снижения потерь, поддержание режима минимальных потерь при изменениях нагрузки на валу и т.п. Если должно быть удовлетворено одновременно несколько экономических показателей, например, стабилизация напряжения и реактивной мощности, необходимо выработать компромиссный общий критерий качества регулирования, оптимизирующий суммарный эффект - целевую функцию [16].
В тех случаях, когда объект регулирования достаточно сложный и необходимо управлять одновременно несколькими переменными, в теории оптимального управления даются только общие и весьма ограниченные рекомендации по выбору надлежащего критерия качества регулирования [26-30].
Критерии оптимального регулирования СД будут иметь практическую ценность лишь в том случае, если вычисление входящих в них показателей качества не вызывает заведомо непреодолимых затруднений. В [31, 32] для сравнения различных законов регулирования, одинаково удовлетворяющих отдельным требованиям, и для выбора наиболее рационального закона регулирования вводится технико-экономический критерий качества АРВ, учитывающий убытки от потерь энергии в самом СД, в питающей сети и в других электроприемниках узла нагрузки.
Этот критерий позволяет построить систему АРВ, обеспечивающую выдачу в сеть экономически выгодной величины реактивной мощности Q. При постоянной или медленно изменяющейся нагрузке оптимальное АРВ обеспечивается идеальным регулятором 1Р, задание которого изменяется в функции режима сети - напряжения и реактивного тока узла нагрузки. При резко переменной нагрузке для обеспечения оптимального АРВ необходимо подавать на вход регулятора реактивного тока дополнительное задание, изменяющееся в зависимости от нагрузки на валу СД.
Влияние режима возбуждения СД на отклонение напряжения сети
Впервые принцип векторного управления был сформулирован более 30 лет назад применительно к асинхронным двигателям, работающим с преобразователями частоты. Как известно, векторное управление предусматривает такое регулирование амплитуды и фазы тока статора, при ко 60 тором его намагничивающая составляющая, а значит и основной магнитный поток остаются постоянными [77].
В основе векторного управления СД лежит представление тока возбуждения двумя ортогональными составляющими, одна из которых создаёт магнитный поток двигателя, а другая - определяет электромагнитный момент при заданном напряжении. При реализации такого управления использована известная методика представления тока возбуждения СД геометрической суммой двух составляющих [69]: If=Ifa+Ifp Модуль результирующего вектора If и его составляющие определяются зависимостями (2.3) - (2.5).
Первая составляющая тока возбуждения обусловлена нагрузкой двигателя, т.е. активным током статора. Вторая составляющая связана с генерированием синхронным двигателем реактивной мощности и её величина определяет реактивный ток статора. В соответствии с вышесказанным, справедливо следующее уравнение где Ia = Icoscp — активный ток статора; 1р = I sirup — реактивный ток статора; к], к2 - коэффициенты зависящие от параметров двигателя. При Q=0, а=0, (р=0, 1Р=0,1а=1 и I = I у. Задание на ток возбуждения, как следует непосредственно из формулы (2.2), определяется как корень квадратный из суммы квадратов его составляющих: тока возбуждения холостого хода I и полного тока статора /. If= I2fQ+kx.I2
На элементной базе существующих тиристорных возбудителей достаточно сложно реализовать операции возведения в степень и извлечения квадратного корня с сигналами на постоянном токе. Решение поставленной задачи значительно упрощается, если задание на ток возбуждения 1 рассматривать как гипотенузу прямоугольного треугольника (рис. 2.8), катетами которого являются I ю и кj I. Рис. 2.8. Формирование задания на ток возбуждения - как результат сложения двух синусоидальных сигналов Такое представление позволяет определить задание на ток I как сумму двух векторов If3=If0+krI Операцию суммирования составляющих предлагается выполнять на переменном токе. В этом случае задание на ток If3, будет определяться как результат сложения двух синусоид (рис. 2.8), сдвинутых друг относительно друга на угол 90 эл. град., причём амплитуда одной из них пропорциональна IJQ , а амплитуда другой - полному току / двигателя.
Предложенный способ реализован с помощью схемы, приведенной на рис. 2.9,а [78, 79]. На входы сумматора 1 поступают сигналы с выходов датчика тока и датчика напряжения. Датчик тока выполнен на базе трансформатора тока (ТТ) и установлен в фазе А, а датчик напряжения подклю чен к линейному напряжению UBC И представляет собой измерительный трансформатор напряжения (ТН). Такое включение датчиков по фазам статора обеспечивает необходимый сдвиг в 90 эл. град, между током 1А и напряжением UBC (рис. 2.9, б).
Функциональная схема (а) и векторная диаграмма (б) векторной системы управления возбуждением СД Сигнал с выхода датчика тока пропорционален току статора, т.е. кj I. Сигнал с выхода датчика напряжения определяет задание на ток возбуждения /урна холостом ходу двигателя. Синусоидальный сигнал, равный сумме сигналов с датчиков тока и напряжения, выпрямляется с помощью выпрямителя 2 собранного на операционных усилителях (ОУ) А1 и А2 (рис 2.10). Таким образом выделяется модуль сигнала, который поступает на вход регулятора тока возбуждения (РТВ) в виде задания на ток возбуждения /зга.
Схема двухполупериодного выпрямителя Заслуживает отдельного рассмотрения выделение активной составляющей тока возбуждения Ifa как это показано на рис. (2.9, а). Фактически здесь снимается сигнал полного тока в фазе А. Устойчивый режим работы системы в целом будет лишь в том случае, если этот ток является чисто активным, т.е. совпадающим по фазе с вектором UА или ортогональным к напряжению Uвс. В этом режиме СД работает в нижнем экстремуме Сообразной характеристики (рис. 2.11, а, точка 0), что соответствует coscp = 1 и оптимальному режиму СД с точки зрения потерь электрической энергии. образные характеристики (а) и векторные диаграммы СД при индуктивной (б) и ёмкостной (в) нагрузке
Допустим, что при заданном токе возбуждения произошло увеличение момента статической нагрузки на валу и ток, потребляемый из сети, стал индуктивным (Pj 0 (рис. 2.11, а, точка 1). Это приведёт к увеличе 64 нию сигнала, снимаемого на ОУ А1 (рис. 2.10) и к увеличению тока возбуждения, что поясняется с помощью векторной диаграммы (рис. 2.11, б). Если задание на ток возбуждения окажется выше требуемого, при котором двигатель работает с чисто активной нагрузкой, т.е. появится ёмкостная составляющая тока статора (р2 0 (рис. 2.11, точка 2), то это приведёт к уменьшению сигнала U3mg (рис. 2.10) и соответственно тока возбуждения (рис. 2.11, в). Таким образом при изменении нагрузки на валу двигателя и напряжения в рабочем диапазоне у = 0,9-І-1,1 обеспечивается поддержание угла сдвига (р между током и напряжением на заданном уровне (р = 0.
При значительных отклонениях напряжение сети (ниже 0,8-0,85 номинального) возможно снижение устойчивости СД, поэтому предусмотрена форсировка возбуждения, обеспечивающая повышение задания на ток до максимального значения Ifmax - (l,4 -1,5)1 j-H. Задание тока возбуждения
Для этого предусмотрены нелинейный элемент с характеристикой типа «гистерезис», который реализован на базе триггера Шмитта ТШ [80] (рис. 2.12) и схема сравнения на двух диодах (VI и V2 рис. 2.9 а). На регулятор тока возбуждения подаётся больший из двух сигналов, формируемых на выходе триггера Шмитта и выпрямителя. Характеристика типа «гистерезис» исключает частые переключения задания на форсировку при снижениях напряжения.
Способ регулирования по отклонению тока статора от его активной составляющей
На практике обычно используются уравнения синхронной машины, записанные в относительных единицах, т.е. все величины выражаются в долях их базовых значений. Переход к системе относительных единиц упрощает запись уравнений, освобождая их от некоторых постоянных коэффициентов, облегчает вычисления, поскольку переменные выражаются долями единицы, а также делает возможным сравнение результатов, получаемых для машин различной мощности.
Для того, чтобы перейти от физических величин к их относительным значениям, выраженным в долях базисных величин, нужно прежде всего однозначно определить всю совокупность базисных величин. В настоящее время базовые величины статорных обмоток общеприняты, это: Базовые величины роторных обмоток у различных авторов различны. Наиболее распространённой является так называемая «система единиц xad », как наиболее ясная и удобная для машины с демпферными обмотками [108].
В системе относительных единиц «xad» за базовый ток любого роторного контура принимается такой ток, при котором магнитное поле от тока в этом контуре наводит в обмотке статора при синхронной скорости вращения ротора ЭДС амплитуды xad I]S, где xad = Mad Q0, Mad - взаимоиндуктивность обмоток статора и возбуждения, приведённая к обмотке статора.
Аналогичным путём выводятся базовые величины для продольного демпферного контура WaqS Q0 где Мщ = —— - взаимоиндуктивность между обмотками статора и попе Q0 речного демпферного контура, приведённая к обмотке статора. Из уравнений системы (4.1) можно получить уравнения синхронной машины в относительных единицах, используя полученные формулы для базовых величин статорных и роторных контуров. Система уравнений синхронной машины в относительных единицах имеет вид:
Здесь взаимоиндуктивность между любыми продольными контурами равна xad, а между поперечными - хщ. Поэтому эта система единиц называется «системой xad» или системой равных взаимоиндуктивностей. Система уравнений (4.2) может быть положена в основу при составлении программы расчёта переходных процессов синхронного двигателя. Однако реализовать их в таком виде затруднительно. Решив предварительно систему уравнений потокосцеплений из (4.2) относительно токов в контурах, получим:
Полученные выражения для токов в контурах (4.3) подставим в первые пять уравнений системы (4.2) и преобразуем их таким образом, чтобы в левой части от знака равенства стояли производные неизвестных величин, а справа - алгебраическая сумма остальных величин с постоянными коэффициентами.
Так как синхронный двигатель в общем случае подключён не непосредственно на шины бесконечной мощности, а через трансформатор и дополнительный реактор, обладающие общим сопротивлением Z = RT + Rp + j [xT + xp) (рис. 4.1), то напряжение на зажимах двигателя не будет постоянным в переходном процессе. В этом случае вместо напряжения на зажимах двигателя удобнее рассматривать напряжение на шинах бесконечной мощности, остающееся неизменным. При этом к индуктивным и активному сопротивлениям цепей статора машины должны быть прибавлены соответственно сопротивления {хт + хр) и (RT +ЯЛ), и угол в будет углом между положительным направлением оси q рассматриваемой машины и изображающим вектором напряжения Uc, вращающимся с синхронной скоростью. Учитывая, что у трансформаторов и реакторов R « х,
Обозначения параметров узла нагрузки Согласно векторным диаграммам токов и напряжений, соответствующим схеме узла нагрузки (рис. 4.1) в режиме перевозбуждения (рис. 4.2, а) и недовозбуждения СД (рис. 4.2, б), напряжение на зажимах двигателя идв и на шинах 11ш можно определить следующим образом: Рис. 4.2. Векторные диаграммы токов и напряжений в режиме перевозбуждения (а) и недовозбуждения (б)
Целью исследований явился сравнительный анализ переходных процессов в известной двухконтурной системе АРВ с регулятором реактивного тока и в разработанной системе с векторным управлением. Двухконтур-ная система с внешним контуром регулирования реактивного тока без контура регулирования напряжения является близким аналогом разработанной системы, которая обеспечивает работу СД с минимальным током статора, при котором реактивный ток равен нулю / = 0. Поэтому задание на реактивный ток в известной системе принималось равным нулю.
Исследования проводились для режима ударного приложения нагрузки [77]. Объектом служил синхронный двигатель прокатного стана с номинальными данными: мощность Рн = 17500 кВт, ток возбуждения номинальный Iflj- 600 А, ток возбуждения холостого хода I = 360 А (остальные параметры двигателя приведены в таблице Приложения 1). При этом фиксировались следующие переменные: момент двигателя М, напряжение сети Uc, ток возбуждения If, и реактивный ток 1р.
Характерные кривые, полученные при моделировании, представлены на рис. 4.5. Показатели регулирования представлены в табл. 4.1. Анализ полученных результатов позволяет сделать следующие выводы: - исследуемые системы обеспечивают нулевую статическую ошибку регулирования реактивного тока и являются динамически устойчивыми; - обе системы обеспечивают практические одинаковые показатели регулирования момента двигателя;
Структурная схема модели СД
При исследованиях система АРВ принималась двухконтурной (рис 5.11). Внутренний контур - контур регулирования тока возбуждения принят пропорциональным. Внешний контур непосредственно осуществляет регулирование по одному из рассматриваемых ниже параметров.
На рис. 5.12. приведены кривые переходных процессов в системе при ручном управлении. Это базовый вариант. Ниже приводятся результаты экспериментальных исследований предложенных, а также некоторых известных систем АРВ СД.
Обратная связь по напряжению не вводилась, так как для качественной оценки регулирования и сравнения его с ручным управлением обратная связь по току возбуждения реализовывалась в соответствии с зависимостью
Анализировались зависимости изменения тока якоря генератора Ія, тока статора 1С, тока возбуждения /у и напряжение в узле Uc при ударном приложении нагрузки. Качество переходных процессов оценивалось по следующим показателям: Тпп — продолжительность переходного процесса (время, за которое ток статора входит в десятипроцентную зону относительно своего установившегося значения); 1СШХ — максимальное значение тока статора; AU- отклонение напряжения в узле нагрузки. Осциллограммы переходных процессов при регулировании по производной тока нагрузки представлены на рис. 5.14. Сравнение кривых рис. 5.12 и рис. 5.14 позволяет сделать вывод о снижении перерегулирова 125 ния тока статора и уменьшении времени tnn и отклонений напряжения в узле нагрузки. Численные значения этих показателей представлены ниже в табл. 5.2.
Осциллограммы переходных процессов при регулировании по производной тока Недостатком способа регулирования по производной тока является сложность измерения сигнала, пропорционального силовому воздействию на вал двигателя. Регулирование тока возбуждения по отклонению тока (момента). Сигнал на изменение тока возбуждения СД формировался путём выделения сигнала, пропорционального электромагнитной мощности синхронного двигателя, и сигнала, пропорционального мощности статической нагрузке на его валу (рис. 5.15). Осциллограммы переходных процессов при регулировании по отклонению If = IfHa4 + к(ія -Іс) представлены на
Наиболее простым по реализации способом регулирования является пропорциональное регулирование по нагрузке Осциллограммы переходных процессов при комбинированном управлении по нагрузке и производной тока нагрузки
Принципиальная схема системы векторного управления, реализованная на лабораторном стенде, представлена на рис. 5.20. Осциллограммы переходных процессов координат электропривода представлены на рис. 5.21.
Результаты оценки влияния способа регулирования на динамику переходных процессов представлены в табл. 5.2.
Анализируя данные таблицы, можно сделать вывод о том, что любой из способов регулирования превосходит ручной по всем параметрам и может быть предложен для реализации в условиях производства, в зависимости от того, какой из трех приведенных в таблице параметров наиболее важен для потребителя электроэнергии.
Система векторного управления является более простой по сравнению с известными трехконтурными системами подчиненного регулирования. Вместе с тем, она обеспечивает аналогичные динамические показатели регулирования при одновременном поддержании коэффициента мощности равным единице при изменениях напряжения и нагрузки двигателя. Это подтверждает сделанные выше рекомендации о целесообразности ее использования при построении АРВ синхронных электроприводов, работающих со спокойной нагрузкой (компрессоров, насосов).
Реализация рассмотренных способов регулирования возбуждения по току нагрузки и его производной возможна в системе двигатель—генератор. В случае, когда синхронный двигатель работает в составе электропривода объекта, например, черновой клети прокатного стана, дробилки и т.п., эти способы неприменимы. Регулирование возбуждения при ударном изменении нагрузки в этом случае целесообразно осуществлять по внутреннему углу в, определяемому косвенным образом, как это предложено в [112], либо с помощью датчика прямого измерения угла в (#-мера).
Регулирование возбуждения по углу в и его производным является наиболее совершенным с точки зрения повышения динамической устойчивости и быстродействия при ударных нагрузках.
Осциллограммы основных координат СД показаны на рис. 5.23 и рис. 5.24, соответственно. Их анализ позволяет сделать вывод, что при заданной нагрузке необходимо регулирование возбуждения, т.к. угол в может превысить критическую величину и двигатель при отсутствии регулирования возбуждения выпадет из синхронизма. В системе АРВ по внутреннему углу при аналогичном изменении нагрузки двигатель работает устойчиво. При этом происходит увеличение тока возбуждения с /у =4 А до
Кроме того анализ осциллограмм позволяет сделать вывод, что при наличии САРВ амплитудные значения и величины тока статора и угла в значительно меньше, чем без регулирования. Это положительно сказывается на устойчивости двигателя при любом изменении нагрузки.
Недостатком регулирования по углу в является низкая надежность датчика угла в из-за наличия трущихся частей, в связи с чем этот способ в настоящее время находит ограниченное промышленное применение. Данный недостаток успешно устраняется за счет применения датчика внутреннего угла, определяемого по параметрам синхронной машины [112-114]. Система АРВ, построенная на основе этого датчика, подробно исследована и прошла промышленные испытания на реверсивном стане горячей прокатки [115]. Соответственно данный способ управления может быть рекомендован для широкого промышленного внедрения в электроприводах с ударной нагрузкой.
Как отмечалось выше, получение высоких экономических и энергетических показателей СД и питающей системы обеспечивается регулированием возбуждения двигателя на постоянство реактивной мощности Q = UHI sirup = const. Схема системы АРВ, реализующей данный способ регулирования, исполненной на экспериментальном стенде, представлена нарис. 5.25.
