SIMULATION OF STARTING MODES OF A SYNCHRONOUS MOTOR SUPPLIED FROM DIFFERENT SOURCES

Abstract


Currently, the most common three main types of electrical machines - alternating (synchronous and asynchronous) and direct current. Each of them, due to the peculiarities of its design, has certain starting methods when operating in engine mode. The object of research in this article is a synchronous machine, which is of particular interest in comparison with other types of electromechanical converters due to its intensive use in power electric power plants not only as a source of electrical, but also mechanical energy, for which it becomes necessary to start it. There are several ways to start a synchronous motor, each of which has its own advantages and disadvantages, for the identification of which the developed models of a synchronous machine and various types of sources of electrical energy were studied. Studies have shown that the most interesting are the frequency methods of starting a synchronous machine, since non-interference in the design of the machine will allow its continued operation. Purpose of the research: development of a model of a synchronous motor and various types of sources of electrical energy; investigation of the starting characteristics of a machine connected to various power sources. Methods: studies of the starting characteristics of a synchronous motor from various power sources were carried out in the Matlab (Simulink) environment, for which mathematical models of a synchronous motor and three power supplies were developed. Results: studies have confirmed that of the four ways to start a synchronous motor, the frequency one really has a number of advantages over the others. The time of the transient process with such a start of a synchronous motor is significantly reduced, therefore the efficiency of the machine is the greatest, since it quickly reaches the nominal mode and begins to perform its functions. The smallest thermal impulse observed in this case indicates low thermal losses, which also has a beneficial effect on the operation of the synchronous motor and power supply. However, the frequency start of a synchronous motor has a significant drawback - the starting current is of great importance, commensurate with the magnitude of the stator current during direct start. Practical significance: the analysis of the data obtained during the research, namely the start-up time, the magnitude of the thermal impulse and the critical moment, will allow in the future to optimally tune electric power systems containing synchronous motors in order to increase their efficiency, and also simplify the process of identifying the parameters of a synchronous machine, spectral and wavelet analysis of their transient processes.

Full Text

Введение В настоящее время используется все большее количество электрических двигателей, поэтому потребление электроэнергии в мире увеличивается с каждым годом. Различные предприятия, заводы, фабрики по производству разнообразных товаров, а также организации, генерирующие электроэнергию, эксплуатируют электрические машины больших мощностей [1], в качестве которых чаще всего применяют синхронные электромеханические преобразователи. Машины подобной конструкции в зависимости от надобности могут эксплуатироваться в качестве двигателя или генератора. Широкое применение синхронных машин (СМ) в качестве источника электрической или механической энергии обусловлено следующими преимуществами: - СМ может работать при коэффициенте мощности ; - СМ обладают более высоким, чем у асинхронных машин, коэффициентом полезного действия h = (97…98) %; - конструктивные особенности СМ обеспечивают повышенную механическую надежность; - в СМ есть возможность реализации достаточно простого способа регулирования частоты вращения ротора путем изменения его тока, что позволяет увеличить перегрузочную способность двигателя; - СМ практически не чувствительны к изменению напряжения в электросети. Однако использование СМ приводит к появлению новых проблем, связанных с их пуском. Так, например, при прямом пуске СМ, при котором машина запускается при номинальном напряжении на статоре с полной нагрузкой на валу, т.е. в так называемом асинхронизированном режиме, в цепи статора подобно асинхронной машине возникают токи, значительно превосходящие номинальные значения более чем в 7 раз. Такое воздействие на элементы конструкции СМ со стороны электрических цепей статора принято называть ударным, потому что машина в эти моменты испытывает сильнейший силовой удар, обусловленный токами большой величины, протекающими в магнитном поле индуктора. Эти ударные нагрузки могут привести к механическим перегрузкам и даже к конструктивным повреждениям не только на самом двигателе, но и на исполнительных механизмах. Повреждения СМ и подключенных к ней исполнительных механизмов могут привести к увеличению финансовых затрат на обслуживание и ремонт в случае выхода из строя оборудования. Значительный рост пускового тока статора СМ при соизмеримости мощности машины и источника питания может привести к увеличению тепловых потерь и снижению напряжения электросети. Падение напряжения может стать настолько значительным, что электромагнитный момент двигателя при пуске может оказаться соизмеримым с моментом сопротивления. В таком случае пуск двигателя может затянуться, что приведет к перегреву его обмоток или станет вовсе невозможным. Подобные сбои в работе могут также негативно отразиться на работе другого технологического оборудования, подключенного к валу двигателя или получающего электроэнергию от того же источника питания. Очевидно, поиск методов безопасного пуска СМ, по обмоткам статора которой будут протекать токи, совпадающие с номинальными, или, в крайнем случае, незначительно превышающие их, является весьма актуальным. Верное решение проблемы пуска СМ сможет повысить безотказность функционирования как самой машины, так и потребителей механической и электрической энергии, особенно при соизмеримости мощностей двигателя и питающей электросети. Применение способов пуска СМ, решающих описанную проблему, позволит также увеличить жизненный цикл оборудования, уменьшить вероятность выхода из строя двигателей и другого технологического оборудования, а также избежать возникновения аварийных ситуаций. Поэтому в данной работе представлены результаты исследований, связанных с разработкой математической модели СМ и различных источников питания, а также с анализом пусковых характеристик СМ, получающей электропитание от этих источников. В ходе исследований были рассмотрены три источника электропитания, обеспечивающих прямой пуск СМ, пуск через регулятор частоты и пуск при одновременном регулировании частоты и напряжения. Для исследования различных режимов пуска СМ была использована математическая модель синхронного двигателя в осях и [2, 3]. Применение математического моделирования позволит на стадии проектирования конкретных технологических систем выбирать соответствующие способы пуска СМ и в дальнейшем подбирать необходимое оборудование для реализации этих способов. Математические модели, реализующие СМ и различные источники питания, адаптированы для конкретных исследований разных способов пуска двигателя с целью определения его основных характеристик - электромагнитного момента максимального и критического, тока статора максимального и ударного, времени пуска и теплового импульса. Анализ этих характеристик позволит в дальнейшем принять верное обоснованное решение по выбору оптимального способа пуска СМ. Еще одним недостатком синхронной машины является отсутствие достаточного пускового момента. Инерционность ротора, обусловленная его значительной массой, не позволяет двигателю развить частоту его вращения до величины, соизмеримой с частотой магнитного поля статора. Эти частоты станут равны при подключении обмотке ротора к источнику электрической энергии постоянного тока. Другой способ достижения равенства частот - передача ротору дополнительной механической энергии от внешнего источника (дополнительного двигателя меньшей мощности), который обеспечит раскручивание ротора мощной СМ до частоты, близкой к синхронной. В этом случае двигатель втягивается в синхронизм, т.е. ротор начинает вращаться с частотой вращения поля статора, т.е. с синхронной частотой [4, 5]. Существует несколько способов пуска СМ, которые можно разбить на три основные категории [6]: - пуск СМ с помощью разгонного двигателя; - прямой асинхронный пуск СМ; - частотный пуск СМ. Математическая модель синхронной машины Для математического описания электрических машин применяют следующие системы координат: ( , ); ( , ); ( , ) [7-9], а именно: - система координат ( , ) является неподвижной относительно статора. Её применяют для исследования асинхронных машин, при этом параметры двигателя по оси равны параметрам фазы «А» в трехфазной системе координат [10]; - система координат ( , ) жестко связана с ротором СМ, поэтому применяется для их исследования. Ось - продольная ось машины, ось - поперечная; - система координат ( , ) является синхронно вращающейся, поэтому применяется для машин с вращающимся ротором и статором. Рассмотрим математическую модель синхронного двигателя в осях d и q, который в данном случае описывается следующими дифференциальными уравнениями [9, 11]: ; ; ; ; , где

About the authors

I. Yu Sazhin

LLC Energy Grid Company "Parma"; Perm National Research Polytechnic University

E. A Chabanov

Perm National Research Polytechnic University

E. V Chabanova

State Agro-Technological University named after D.N. Pryanishnikov

References

  1. Алиев И.И. Электрические машины. - Вологда: Инфра-Инженерия, 2014. - 448 с.
  2. Жужгов Н.В., Буторин Г.В., Ключников А.Т. Исследование режимов работы синхронного двигателя // Автоматизированные системы управления и информационные технологии: материалы всерос. науч.-техн. конф.: в 2 т.. Пермь, 17 мая 2018 г. Т. 2. - Пермь: Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2018. - С. 20-27.
  3. Соколовский Г.Г. Электроприводы переменного тока с частотным регулированием: учебник для студ. высш. учеб. завед. - М.: Академия, 2006. - 272 с.
  4. Буймов А.А., Кононенко Е.В., Финк А.Ф. Исследование электромеханических переходных процессов тихоходных синхронных реактивных двигателей // Известия Томск. политехн. ун-та. Инжиниринг георесурсов. - 1972. - Т. 242. - С. 230-233.
  5. Фираго Б.И., Александровский С.В. Исследование переходных процессов частотно-регулируемого синхронного электропривода // Известия высших учебных заведений и энергетических объединений СНГ. Энергетика. - 2016. - Т. 59. - № 6. - С. 507-518.
  6. Анучин А.С. Системы управления электроприводов: учебник для вузов. - М.: Изд-во МЭИ, 2015. - 373 с.
  7. Шулаков Н.В. Электрические машины: конспект лекций / Перм. гос. техн. ун-т. - Пермь, 2008. - 324 с.
  8. Сипайлов Г.А., Кононенко Е.В., Хорьков К.А. Электрические машины. - М.: Высшая школа, 1987. - 287 с.
  9. Вольдек А.И., Попов В.В. Электрические машины. Машины переменного тока. - СПб., 2010. - 352 с.
  10. Кацман М.М. Справочник по электрическим машинам: для студ. образоват. учреждений сред. проф. образования. - М.: Академия, 2005. - 480 с.
  11. Макаричев Ю.А., Овсянников В.Н. Синхронные машины. - Самара: Изд-во Самар. гос. техн. ун-та, 2010. - 156 с.
  12. Копылов И.П. Математическое моделирование электрических машин: учеб. для вузов. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Высшая школа, 2001. -327 с.
  13. Проектирование электрических машин: учебник для вузов / И.П. Копылов, Б.К. Клоков, В.П. Морозкин, Б.Ф. Токарев. под ред. И.П. Копылова. - 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Юрайт, 2011. - 767 с.
  14. Подольцев А.Д, Бондарь Р.П. Моделирование работы трехфазного линейного синхронного двигателя колебательного движения в пакете MatLab/Simulink // Электротехника и электромеханика. - 2010. - № 6. - С. 31-34.
  15. Терехин В.Б. Моделирование систем электропривода в Simulink (MatLab 7.0.1). - Томск: Изд-во Томск. политехн. ун-та, 2008. - 320 с.
  16. Черных И.В. Моделирование электротехнических устройств в MatLab, SimPowerSystems и Simulink. - М.: ДМК Пресс. СПб.: Питер, 2008. - 288 с.
  17. Дьяков В.П. Simulink 5/6/7: самоучитель. - М.: ДМК-Пресс, 2008. - 784 с.
  18. Субботина В.А., Тюленев М.Е. Simulink-модель для исследования пуска синхронного двигателя при пониженном напряжении // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Электротехника, информационные технологии, системы управления. - 2014. - № 11. - С. 102-109.
  19. Буторин Г.В., Ключников А.Т., Чабанов Е.А Исследование режимов пуска синхронного двигателя при пониженной частоте // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Электротехника, информационные технологии, системы управления. - 2019. - № 31. - С. 159-176.
  20. Чабанов Е.А., Судаков А.И., Шулаков Н.В. Новые подходы к получению исходной информации и методам идентификации переходных процессов мощных синхронных машин // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Электротехника, информационные технологии, системы управления. - 2013. - № 8. - С. 114-127.
  21. Судаков А.И., Чабанов Е.А. Высокоточная и достоверная идентификация переходных процессов мощных синхронных машин вероятностно-статистическими методами // Электротехника. - 2015. - № 11. - С. 21-27.
  22. Sudakov A.I., Chabanov E.A. Precise and reliable identification of the transient processes of a powerful synchronous machine by probabilistic statistical methods // Russian Electrical Engineering. - 2015. - Vol. 86, № 11. - P. 640-645.
  23. Судаков А.И., Чабанов Е.А., Каменских И.А. Развитие вероятностно-статистических методов идентификации зашумлённых переходных процессов синхронных машин // Электротехника. - 2017. - № 11. - С. 18-24.
  24. Sudakov A.I., Chabanov E.A., Kamenskikh I.A. The Development of Probabilistic and Statistical Methods for Identification of Noisy Transient Processes of Synchronous Machines // Russian Electrical Engineering. - 2017. - Vol. 88, № 11. - P. 714-719.
  25. Судаков А.И., Чабанов Е.А., Шулаков Н.В. К вопросам исследования и идентификации переходных процессов мощных синхронных машин вероятностно-статистическими методами // Электричество. - 2013. - № 3. - С. 34-39.
  26. Токарев Р.О., Чабанов Е.А. Спектральный анализ неисправностей синхронной машины // Автоматизированные системы управления и информационные технологии: материалы всерос. науч.-техн. конф.: в 2 т.. Пермь, 17 мая 2018 г. Т. 2. - Пермь: Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2018. - С. 97-102.
  27. Спектральный анализ неисправностей синхронной машины / Р.О. Токарев, В.В. Шапошников, Е.А. Чабанов, Е.В. Чабанова // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Электротехника, информационные технологии, системы управления. - 2019. - № 30. - С. 227-240.
  28. Колпакова М.А., Заборовцев Е.А., Чабанов Е.А. Оценка технического состояния синхронных машин на основе вейвлет-анализа // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Электротехника, информационные технологии, системы управления. - 2021. - № 38. - С. 195-220.

Statistics

Views

Abstract - 110

PDF (Russian) - 56

Refbacks

  • There are currently no refbacks.

Copyright (c) 2022 PNRPU Bulletin. Electrotechnics, Informational Technologies, Control Systems

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies