ИЗОБРЕТЕНИЕ
Патент Российской Федерации RU2122277

УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ВОЗБУЖДЕНИЕМ СИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ

УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ВОЗБУЖДЕНИЕМ СИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ

Имя изобретателя: Малафеев Сергей Иванович, Мамай Виктор Степанович, Серебренников Николай Александрович
Имя патентообладателя: Малафеев Сергей Иванович, Мамай Виктор Степанович, Серебренников Николай Александрович
Адрес для переписки: 
Дата начала действия патента: 30.07.1997

Изобретение относится к электротехнике и позволяет повысить надежность регулирования напряжения и уменьшить потери энергии в двигателе и питающей сети. Устройство управления возбуждением синхронного двигателя представляет собой трех-контурную систему автоматического регулирования, реализованную по принципу подчиненного регулирования координат. Первый подчиненный контур регулирования тока возбуждения включает регулятор тока, тиристорный управляемый выпрямитель и датчик тока. Второй подчиненный контур регулирования реактивного тока синхронного двигателя включает измерительный преобразователь реактивного тока и регулятор реактивного тока и обеспечивает поддержание реактивного тока статора на уровне, задаваемом выходным сигналом регулятора напряжения. Третий главный контур регулирования напряжения включает измерительный преобразователь напряжения и регулятор напряжения. Обратная связь по напряжению, состоящая из порогового элемента, одновибратора, первого апериодического фильтра с управляемой постоянной времени, двух триггеров Шмитта, апериодического фильтра и элемента И, обеспечивает увеличение уставки тока возбуждения при больших колебаниях напряжения для устойчивой работы двигателя.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Изобретение относится к электротехнике и предназначено для использования в промышленных электроустановках с синхронными двигателями.

Известны устройства для управления возбуждением синхронного двигателя, содержащие трансформатор напряжения и трансформатор тока, подключенные к статорной цепи синхронного двигателя, измерительный преобразователь напряжения, включенный между выходом трансформатора напряжения и вычитающим входом элемента сравнения, суммирующий вход которого подключен к выходу задатчика напряжения, а выход соединен с входом первого нелинейного элемента с характеристикой "зона нечувствительности", измерительный преобразователь активного тока и измерительный преобразователь реактивного тока, информационные входы которых объединены и подключены к выходу трансформатора тока, управляющие входы измерительных преобразователей активного и реактивного токов объединены и подключены к выходу трансформатора напряжения, выход измерительного преобразователя активного тока подключен через дифференцирующий блок к первому суммирующему входу регулятора реактивного тока, вычитающий вход которого подключен к выходу измерительного преобразователя реактивного тока, второй суммирующий вход регулятора реактивного тока подключен к выходу первого нелинейного элемента, а выход соединен с суммирующим входом регулятора тока возбуждения, первый вычитающий вход которого соединен с выходом задатчика тока возбуждения, второй вычитающий вход соединен с выходом датчика тока возбуждения, включенного в цепь ротора двигателя, а выход подключен к входу тиристорного управляемого выпрямителя, выход которого подключен к ротору синхронного двигателя (А.с. СССР N 396785, МКИ H 02 H 7/08, 1971; А.с. СССР N 1339862, МКИ H 02 P 7/36, 9/14, 1987; Абрамович Б.Н., Круглый А.А. Возбуждение, регулирование и устойчивость синхронных двигателей. - Л.: Энергоатомиздат, 1983, с. 104 - 107, рис. 6-1, рис. 6-2).

Известные устройства реализованы по принципу подчиненного регулирования координат и содержат три контура регулирования: внутренний подчиненный контур регулирования тока возбуждения, подчиненный контур регулирования реактивного тока и главный контур регулирования напряжения с нелинейной характеристикой "зона нечувствительности". Регулирование напряжения в узле нагрузки осуществляется изменением реактивного (индуктивного или емкостного) тока синхронного двигателя, вызывающего падение напряжения в активных и индуктивных сопротивлениях питающей сети, компенсирующее потери напряжения от активной и индуктивной составляющих тока нагрузки. При снижении в узле нагрузки напряжения для его стабилизации увеличивается реактивный ток синхронного двигателя. Время регулирования напряжения при этом определяется суммарной инерционностью всех трех контуров и, следовательно, оказывается достаточно большим. Такая система регулирования эффективна при медленных изменениях напряжения в сети. Однако при колебаниях напряжения, характеризующихся высокой скоростью и большими амплитудами изменений напряжения, происходящих, например, при включениях мощных нагрузок, для устойчивой работы синхронного двигателя необходимо увеличение тока возбуждения (форсировка). Трехконтурная система регулирования в этих случаях из-за низкого быстродействия и ограниченных возможностей регулирования напряжения путем изменения реактивного тока не способна не только обеспечить поддержание заданного напряжения, но и устойчивой работы двигателя.

Таким образом, недостаток известных устройств для управления возбуждением синхронного двигателя - низкая надежность регулирования двигателя при больших колебаниях напряжения.

Из известных технических решений наиболее близким по достигаемому результату к предлагаемому является устройство для управления возбуждением синхронного двигателя, содержащее трансформатор напряжения и трансформатор тока, подключенные к статорной цепи синхронного двигателя, измерительный преобразователь напряжения, включенный между выходом трансформатора напряжения и вычитающим входом регулятора напряжения, суммирующий вход которого подключен к выходу задатчика напряжения, а выход подключен к первому суммирующему входу регулятора реактивного тока, измерительный преобразователь активного тока, измерительный преобразователь реактивного тока, информационные входы которых объединены и подключены к выходу трансформатора тока, управляющие входы измерительных преобразователей активного и реактивного токов объединены и подключены к выходу трансформатора напряжения, выход измерительного преобразователя активного тока подключен через дифференцирующий блок к первому суммирующему входу регулятора реактивного тока, вычитающий вход которого подключен к выходу измерительного преобразователя реактивного тока, а выход подключен к суммирующему входу регулятора тока возбуждения, первый суммирующий вход которого соединен с выходом задатчика тока возбуждения, вычитающий вход соединен с выходом датчика тока возбуждения, включенного в цепь ротора двигателя, а выход подключен к входу тиристорного управляемого выпрямителя, выход которого подключен к ротору синхронного двигателя (Справочник по автоматизированному электроприводу/ Под ред. В.А.Елисеева и А. В. Шинянского. - М.: Энергоатомиздат, 1983, с. 290 - 291, рис. 8.36).

Известное устройство для управления возбуждением синхронного двигателя представляет собой трехконтурную систему подчиненного регулирования с тремя регуляторами: напряжения, реактивного тока статора и тока возбуждения. Регулирование напряжения в узле нагрузки осуществляется изменением реактивного (индуктивного или емкостного) тока синхронного двигателя, вызывающего падение напряжения в активных и индуктивных сопротивлениях питающей сети, компенсирующее потери напряжения от активного и индуктивного токов нагрузки. При снижении или увеличении напряжения в узле нагрузки для его стабилизации требуется увеличение реактивного тока синхронного двигателя.

При быстрых изменениях питающего напряжения, происходящих, например, при включениях мощных нагрузок (пусках синхронных и асинхронных двигателей, включениях мощных электроприводов и др.), трехконтурная система регулирования возбуждения синхронного двигателя из-за низкого быстродействия и ограниченных возможностей регулирования напряжения путем изменения реактивного тока не может обеспечить не только поддержания заданного значения напряжения в узле нагрузки, но и устойчивой работы синхронного двигателя.

Следовательно, недостаток известного устройства для управления возбуждением синхронного двигателя - низкая надежность регулирования двигателя при больших колебаниях напряжения.

Цель изобретения - повышение надежности регулирования двигателя при больших колебаниях напряжения.

Поставленная цель достигается тем, что в известное устройство для управления возбуждением синхронного двигателя, содержащее трансформатор напряжения и трансформатор тока, подключенные к статорной цепи синхронного двигателя, измерительный преобразователь напряжения, включенный между выходом трансформатора напряжения и вычитающим входом регулятора напряжения, суммирующий вход которого подключен к выходу задатчика напряжения, а выход подключен к второму суммирующему входу регулятора, измерительный преобразователь активного тока, измерительный преобразователь реактивного тока, информационные входы которых объединены и подключены к выходу трансформатора тока, управляющие входы измерительных преобразователей активного и реактивного токов объединены и подключены к выходу трансформатора напряжения, выход измерительного преобразователя активного тока подключен через дифференцирующий блок к первому суммирующему входу регулятора реактивного тока, вычитающий вход которого подключен к выходу измерительного преобразователя реактивного тока, а выход подключен к суммирующему входу регулятора тока возбуждения, первый суммирующий вход которого соединен с выходом задатчика тока возбуждения, вычитающий вход соединен с выходом датчика тока возбуждения, включенного в цепь ротора двигателя, а выход подключен к входу тиристорного управляемого выпрямителя, выход которого подключен к ротору синхронного двигателя, дополнительно ведены пороговый элемент, одновибратор, первый апериодический фильтр с управляемой постоянной времени, два триггера Шмитта, второй апериодический фильтр и логический элемент И, при этом пороговый элемент, одновибратор, первый апериодический фильтр и первый триггер Шмитта соединены последовательно, вход порогового элемента подключен к выходу трансформатора напряжения, управляющий вход первого апериодического фильтра подключен к выходу одновибратора, выход первого триггера Шмитта подключен к первому входу элемента И непосредственно, а к второму входу этого элемента - через последовательно соединенные второй апериодический фильтр и второй триггер Шмитта, выход элемента И соединен с третьим суммирующим входом регулятора тока возбуждения.

По сравнению с наиболее близким аналогичным решением предлагаемое техническое решение имеет следующие отличительные признаки:

- пороговый элемент;

- одновибратор;

- апериодический фильтр с управляемой постоянной времени;

- два триггера Шмитта;

- апериодический фильтр;

- логический элемент И.

Следовательно, заявленное техническое решение соответствует требованию "новизна".

При реализации предлагаемого изобретения повышается надежность регулирования двигателя при больших колебаниях напряжения.

Это обусловлено тем, что при снижении напряжения ниже допустимого уровня происходит увеличение сигнала задания для регулятора тока ротора, в результате чего в системе устанавливается режим форсированного тока, который продолжается до момента восстановления номинального режима напряжения, но не более допустимого интервала времени, обусловленного перегрузочными свойствами обмотки ротора.

Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует требованию "положительный эффект".

По каждому отличительному существенному признаку проведен поиск известных технических решений в области электротехники и энергетики. Пороговые элементы, одновибраторы, апериодические фильтры с управляемой постоянной времени, триггеры Шмитта и логические элементы И в известных устройствах аналогичного назначения не обнаружены.

Таким образом, указанные признаки обеспечивают заявляемому техническому решению соответствие требованию "существенные отличия".

функциональная схема устройства для управления возбуждением синхронного двигателя

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 приведена функциональная схема устройства для управления возбуждением синхронного двигателя, на фиг. 2 показаны временные диаграммы работы устройства при больших колебаниях напряжения.

Устройство для управления возбуждением синхронного двигателя (фиг. 1) содержит задатчик напряжения 1, первый 2 и второй 8 триггеры Шмитта, регулятор напряжения 3, измерительный преобразователь напряжения 4, второй апериодический фильтр 5, первый апериодический фильтр с управляемой постоянной времени 6, регулятор реактивного тока 7, одновибратор 9, логический элемент И 10, дифференцирующий блок 11, пороговый элемент 12, регулятор 13 тока возбуждения синхронного двигателя 21, измерительный преобразователь активного тока 14, измерительный преобразователь реактивного тока 15, задатчик 16 тока возбуждения, тиристорный управляемый выпрямитель 17, датчик тока возбуждения 18, трансформатор напряжения 19, трансформатор тока 20.

В устройстве для управления возбуждением синхронного двигателя трансформатор напряжения 19 и трансформатор тока 20 подключены к статорной цепи синхронного двигателя 21, измерительный преобразователь 4 напряжения включен между выходом трансформатора напряжения 19 и вычитающим входом регулятора напряжения 3, суммирующий вход которого подключен к выходу задатчика 1 напряжения, а выход соединен с вторым суммирующим входом регулятора 7 реактивного тока, первый суммирующий вход которого подключен через дифференцирующий блок 11 к выходу измерительного преобразователя 14 активного тока, а выход соединен с вторым суммирующим входом регулятора 13 тока возбуждения, первый суммирующий вход которого подключен к выходу задатчика 16 тока возбуждения, вычитающий вход соединен с выходом датчика тока 18, включенного в цепь ротора синхронного двигателя 21, а выход подключен к входу тиристорного управляемого выпрямителя 17, выход которого подключен к ротору синхронного двигателя 21, выход трансформатора тока 20 подключен к объединенным информационным входам измерительных преобразователей активного тока 14 и реактивного тока 15, управляющие входы измерительных преобразователей активного 14 и реактивного 15 токов и вход порогового элемента 12 объединены и подключены к выходу трансформатора напряжения 19, пороговый элемент 12, одновибратор 9, первый апериодический фильтр 6 и первый триггер Шмитта 2 соединены последовательно, управляющий вход первого апериодического фильтра 6 подключен к выходу одновибратора 9, выход первого триггера Шмитта 2 подключен к первому входу элемента И 10 непосредственно, а к второму входу через последовательно соединенные второй апериодический фильтр 5 и второй триггер Шмитта 8.

временные диаграммы работы устройства при больших колебаниях напряжения

Устройство для управления возбуждением синхронного двигателя работает следующим образом

Управление режимом работы синхронного двигателя 21 осуществляется путем изменения тока в обмотке возбуждения, которая подключена к выходу тиристорного управляемого выпрямителя 17. Измерение тока возбуждения производится с помощью датчика тока 18, включенного в цепь обмотки возбуждения синхронного двигателя 21. Регулирование тока возбуждения осуществляется с помощью регулятора 13 тока возбуждения, первый суммирующий вход которого подключен к выходу задатчика 16 тока возбуждения, а вычитающий вход соединен с выходом датчика 18 тока возбуждения. На второй суммирующий вход регулятора 13 тока возбуждения подается выходной сигнал регулятора реактивного тока.

Измерение напряжения, подводимого к статору синхронного двигателя, производится с помощью трансформатора напряжения 19. Для измерения тока статора синхронного двигателя 21 служит трансформатор тока 20, выходной сигнал которого поступает на объединенные входы измерительного преобразователя 14 активного тока и измерительного преобразователя 15 реактивного тока. На управляющие входы измерительных преобразователей 14 и 15 активного и реактивного токов поступает выходной сигнал трансформатора напряжения 19. Таким образом, на выходах измерительных преобразователей активного 14 и реактивного 15 токов формируются сигналы соответственно:

U14 = k14Iа;

U15 = k15Iр,

где

k14, k15 - коэффициенты пропорциональности;

Iа, Iр - активный и реактивный токи статора синхронного двигателя.

Сигнал U14 дифференцируется с помощью блока дифференцирования 11 и поступает на первый суммирующий вход регулятора 7 реактивного тока, на вычитающий вход которого поступает выходное напряжение U15 измерительного преобразователя 15 реактивного тока. На второй суммирующий вход регулятора реактивного тока 7 поступает выходной сигнал регулятора напряжения 3, определяющий уставку реактивного тока в зависимости от изменений напряжения.

Измерительный преобразователь 4 напряжения, на вход которого поступает сигнал с выхода трансформатора напряжения 19, формирует сигнал постоянного тока U4, пропорциональный напряжению, подводимому к синхронному двигателю 21. Этот сигнал поступает на вычитающий вход регулятора напряжения 3, на суммирующий вход которого подается с выхода задатчика 1 напряжения сигнал, пропорциональный заданному значению напряжения на зажимах синхронного двигателя 21.

Таким образом, устройство управления возбуждением синхронного двигателя 21 представляет собой трехконтурную автоматическую систему регулирования, реализованную по принципу подчиненного регулирования координат.

Первый подчиненный контур регулирования тока возбуждения синхронного двигателя 21 включает регулятор 13 тока возбуждения, тиристорный управляемый выпрямитель 13 и датчик тока 18. Второй подчиненный контур регулирования реактивного тока синхронного двигателя 21 включает измерительный преобразователь реактивного тока 15 и регулятор реактивного тока 7. В контуре также использована положительная обратная связь по производной от активного тока статора, реализованная с помощью измерительного преобразователя активного тока 14 и блока дифференцирования 11. Контур обеспечивает поддержание реактивного тока статора на уровне, задаваемом выходным сигналом регулятора напряжения 3. Гибкая обратная связь по активному току предназначена для улучшения динамических характеристик системы.

Третий главный контур регулирования напряжения включает измерительный преобразователь напряжения 4 и регулятор напряжения 3.

Внутренний подчиненный контур регулирования тока возбуждения синхронного двигателя 21 обеспечивает поддержание тока возбуждения на уровне, задаваемом задатчиком тока возбуждения 16 и выходным сигналом регулятора 7 реактивного тока. Если выходной сигнал регулятора 7 реактивного тока равен 0, то ток возбуждения стабилизируется на уровне, равном номинальному значению Iв.н. При изменении выходного сигнала регулятора 7 реактивного тока происходит увеличение или уменьшение тока возбуждения синхронного двигателя, приводящее к изменению его режима работы.

Второй подчиненный контур регулирования реактивного тока формирует сигнал задания для контура регулирования тока возбуждения в зависимости от реактивного тока статора и выходного сигнала регулятора 3 напряжения. Если выходной сигнал регулятора 3 напряжения равен 0, то второй подчиненный контур регулирования реактивного тока обеспечивает поддержание реактивного тока на нулевом уровне. Такой режим обеспечивает минимальную чувствительность изменений напряжения на зажимах синхронного двигателя к изменениям нагрузки и минимальные потери энергии в питающей электрической сети.

Главный контур регулирования напряжения обеспечивает стабилизацию напряжения в узле нагрузки путем изменения реактивного тока в питающей электрической сети.

Обратная связь по напряжению на обмотке статора, включающая пороговый элемент 12, одновибратор 9, первый апериодический фильтр 6 с управляемой постоянной времени, первый 2 и второй 8 триггеры Шмитта, второй апериодический фильтр 5 и элемент И 10, предназначена для кратковременного увеличения тока обмотки возбуждения при снижении напряжения на обмотке статора, т.е. обеспечения режима форсированного тока возбуждения. Временные диаграммы работы устройства в этом режиме показаны на фиг. 2, где выходные сигналы элементов обозначены символом "U" с индексом, соответствующим номеру элемента на функциональной схеме (фиг. 1), U0 - напряжение переключения порогового элемента 12, U1, U2 - напряжения переключения триггеров Шмитта 2 и 8.

Уровень переключения порогового элемента 12 соответствует амплитудному значению переменного напряжения, при котором требуется увеличение тока возбуждения для обеспечения устойчивой работы двигателя. Если изменения напряжения в сети не превышает допустимых значений, на выходе порогового элемента 12 формируются импульсы, соответствующие интервалам, в течение которых амплитудные значения выходного напряжения измерительного трансформатора 19 превышают уровень переключения порогового элемента 12. Эти импульсы, следующие с удвоенной частотой питающей сети, поступают на вход одновибратора 6, выполняющего роль преобразователя импульсов в сигнал логического уровня, на выходе которого при этом действует напряжение с уровнем логической единицы. Сигнал с выхода одновибратора 9 поступает на вход первого апериодического фильтра 6 и одновременно устанавливает необходимое значение его постоянной времени. В результате этого при нормальном режиме напряжения в сети на выходе апериодического фильтра 6 действует высокий потенциал, вызывающий переключение первого триггера Шмитта 2. Инверсный выход этого триггера подключен к первому входу логического элемента И 10. Следовательно, на выходе элемента И 10 действует сигнал с уровнем логического нуля, который не оказывает влияния на процессы регулирования тока возбуждения.

Сигнал с уровнем логического нуля с выхода первого триггера Шмитта 2 поступает на вход второго апериодического фильтра 5, на выходе которого также действует напряжение низкого уровня, устанавливающее второй триггер Шмитта 8 в состояние логической единицы на инверсном выходе.

При снижении напряжения (амплитудное значение напряжения сети не достигает уровня переключения порогового элемента 12) формирование импульсов на выходе порогового элемента 12 прекращается. Сигнал на выходе одновибратора 9 принимает значение уровня логического нуля (момент t1), который поступает на информационный вход первого апериодического фильтра 6 и одновременно переключает (уменьшает) его постоянную времени. Напряжение на выходе фильтра 6 уменьшается, что приводит к переключению первого триггера Шмитта 2 (момент t2). Сигнал с уровнем логической единицы с инверсного выхода первого триггера Шмитта 2 поступает на первый вход логического элемента И 10. Поскольку на втором входе этого элемента также действует сигнал с уровнем логической единицы с выхода второго триггера Шмитта 8, то на его выходе также формируется сигнал логической единицы, который поступает на вход регулятора реактивного тока 7. Таким образом, изменяется уставка задания тока (например, увеличивается на 40%).

Режим форсированного тока заканчивается при увеличении амплитудного значения тока до уровня переключения порогового элемента 12 (момент t3). При этом длительность указанного режима не может превышать значения, задаваемого реле времени, которое работает следующим образом.

При переключении первого триггера Шмитта 2 напряжение с уровнем логической единицы поступает на вход второго апериодического фильтра 5, что вызывает увеличение его выходного сигнала. По истечении заданного интервала времени, определяемого параметрами фильтра 5, происходит переключение второго триггера Шмитта 8, сигнал логического нуля с инверсного выхода которого поступает на вход элемента И 10 и отключает режим форсированного тока. Стандартная настройка длительности протекании форсированного тока - 1 мин.

Таким образом, в предлагаемом устройстве при снижении напряжения в сети обеспечивается увеличение тока возбуждения для устойчивой работы двигателя. При этом сигнал форсировки формируется в зависимости от мгновенного значения напряжения, благодаря чему обеспечивается максимальное быстродействие перехода в режим форсированного тока. Этот фактор имеет определяющее значение для надежного регулирования двигателя при больших колебаниях напряжения, вызванных процессами при включениях мощных нагрузок, например пусках синхронных или асинхронных двигателей.

Следовательно, предлагаемое устройство для управления возбуждением синхронного двигателя обеспечивает надежное регулирование двигателя во всех режимах, в том числе при больших колебаниях напряжения.

Использование в известном устройстве для управления синхронного двигателя дополнительно порогового элемента, одновибратора, первого апериодического фильтра с управляемой постоянной времени, второго апериодического фильтра, двух триггеров Шмитта и элемента И позволит повысить надежность регулирования синхронного двигателя.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Устройство для управления возбуждением синхронного двигателя, содержащее трансформатор напряжения и трансформатор тока, подключенные к статорной цепи синхронного двигателя, измерительный преобразователь напряжения, включенный между выходом трансформатора напряжения и вычитающим входом регулятора напряжения, суммирующий вход которого подключен к выходу задатчика напряжения, а выход подключен к второму суммирующему входу регулятора реактивного тока, измерительный преобразователь активного тока и измерительный преобразователь реактивного тока, информационные входы которых объединены и подключены к выходу трансформатора тока, управляющие входы измерительных преобразователей активного и реактивного токов объединены и подключены к выходу трансформатора напряжения, выход измерительного преобразователя активного тока подключен через дифференцирующий блок к первому суммирующему входу регулятора реактивного тока, вычитающий вход которого подключен к выходу измерительного преобразователя реактивного тока, а выход подключен к второму суммирующему входу регулятора тока возбуждения, первый суммирующий вход которого соединен с выходом задатчика тока возбуждения, вычитающий вход соединен с выходом датчика тока возбуждения, включенного в цепь ротора двигателя, а выход подключен к входу тиристорного управляемого выпрямителя, выход которого подключен к ротору синхронного двигателя, отличающееся тем, что в него введены пороговый элемент, одновибратор, первый апериодический фильтр с управляемой постоянной времени, два триггера Шмитта, второй апериодический фильтр и логический элемент И, при этом пороговый элемент, одновибратор, первый апериодический фильтр и первый триггер Шмитта соединены последовательно, вход порогового элемента подключен к выходу трансформатора напряжения, управляющий вход первого апериодического фильтра подключен к выходу одновибратора, выход первого триггера Шмитта подключен к первому входу элемента И непосредственно, а ко второму входу этого элемента - через последовательно соединенные второй апериодический фильтр и второй триггер Шмитта, выход элемента И соединен с третьим суммирующим входом регулятора тока возбуждения.

Версия для печати


вверх