Full Text

При прямом пуске синхронного двигателя в асинхронизированном режиме в цепи статора возникают токи, превосходящие номинальные значения в 7-14 раз, которые поэтому называют ударными. Эти токи вызывают большие электромагнитные нагрузки, которые приводят к ударным механическим перегрузкам не только на двигателе, но и на исполнительных механизмах. Подобные перегрузки способны вывести из строя практически любые потребители механической энергии, питаемые синхронным двигателем. Следовательно, могут увеличиться финансовые затраты на ремонт вышедшего из строя оборудования. Такой пуск синхронного двигателя сопоставим с режимом короткого замыкания, поэтому по обмоткам статора будут протекать довольно большие по величине пусковые токи. По этой причине напряжение реального источника питания из-за возросших тепловых потерь может значительно упасть. Пониженное напряжение электросети может оказывать негативное воздействие на режимы работы другого технологического оборудования, подключенного к ней. Поэтому разработка способов понижения пусковых токов синхронных двигателей является весьма актуальной. Системы электропитания, использующие подобные способы, могут повысить безотказность функционирования потребителей электроэнергии, а также обеспечить возможность пуска синхронного двигателя, мощность которого соизмерима с мощностью питающей электросети. Применение таких систем позволяет также увеличить жизненный цикл оборудования, уменьшить вероятность выхода его из строя и возникновения аварийных ситуаций. Описание исследуемой модели. Для исследования различных режимов после пуска синхронного двигателя (СД) в программной среде MATLAB была собрана модель, схема которой представлена на рис. 1 [1, 2, 3]. Рис. 1. Схема модели для исследования режимов СД Схема состоит из трехфазного источника напряжения (А, В, С) 2, синхронного двигателя 1, блоков для установки напряжения возбуждения и момента сопротивления 5 и 4, а также блоков для вывода измеряемых величин 3. Представленная на рис. 1 модель синхронного двигателя является классической. В модели все характеристики и параметры машины представлены в системе СИ [4]. Порты модели A, B и С являются выводами статорной обмотки машины, куда подается входное напряжение. На выходном порту m формируется векторный сигнал, состоящий из 24 элементов. Источник питающего напряжения является трехфазным, т.е. вырабатывает одновременно систему трех ЭДС с возможностью изменения амплитуды, фазы и частоты. По причине неидеальности реального источника электропитания гармонический состав всех трех фаз может также меняться. В нашем случае для СД выбраны базовые величины: напряжение 100 В с частотой 5 Гц [5]. В синхронном режиме сигнал, соответствующий механической мощности на валу двигателя, подается на входной порт Pm, также на этот порт можно подавать сигнал в виде скорости w для исследования СД в генераторном режиме. С помощью блока Step задается момент сопротивления соответствующий механической мощности Pm на валу двигателя либо скорость w. Порт Vf служит для подачи напряжения возбуждения на СД, приведенное значение которого задается в блоке Constant. Кроме этого для измерения переменных СД служит блок Bus Selector. Для вывода измеряемых переменных на экран предназначен блок Scope [1, 6]. Математическое описание переходных процессов СД. При анализе переходных процессов синхронного двигателя принято использовать систему координат d-q. Она описывается двумя системами уравнений [7, 8, 9, 10, 11]: а) система дифференциальных уравнений Парка-Горева: (1) Напряжение статора определяется проекциями изображающего вектора на координатные оси и описывается уравнениями: , (2) Система алгебраических уравнений, определяющая электромагнитные связи контуров и электромагнитный момент двигателя, описывается уравнениями: (3) Компонентные составляющие токов обмоток двигателя описываются уравнениями: (4) где , - компонентные составляющие потокосцепления в воздушном зазоре, которые рассчитываются по формулам: ; . (5) Основным способом пуска синхронного двигателя является асинхронный пуск, при котором обмотка возбуждения двигателя замкнута на пускозащитное сопротивление, величина которого определяется примерно как [12, 10]. Поэтому при асинхронном пуске уравнение для контура обмотки возбуждения имеет вид: . (6) Система d-q жестко связана с ротором. Ось d совмещается с продольной осью ротора. Воздушный зазор между статором и ротором по осям d и q является неизменным. В рассматриваемой модели в установившемся синхронном режиме составляющие изображенных векторов неизменны во времени. Такой подход упрощает анализ статических характеристик синхронной машины [13, 14]. В программной среде MatLab/Simulink синхронный двигатель описывается так же в системе координат d-q [1, 6]. На рис. 2 представлена схема замещения классической синхронной машины с демпферной обмоткой. Все параметры могут быть идентифицированы по опытным данным [15, 16, 17, 18, 19] и приведены к статорной обмотке [14, 20]. Рис. 2. Схема замещения синхронной машины в системе координат d-q Схема замещения описывается системой уравнений (7) где потокосцепления описываются уравнениями: (8) Механическая часть синхронной машины описывается следующими уравнениями: ; (9) , (10) где - отклонение текущей частоты вращения ротора от синхронной; - момент инерции ротора; - механический момент; - электромагнитный момент; - частота вращения ротора; - синхронная частота вращения. Исследование режимов пуска СД. На рис. 3 и 4 представлены графики результатов исследования, полученные для пуска и наброса нагрузки, при напряжении 100 В и с частотой 5 Гц. Момент сопротивления, который задается мощностью, составляет в начале пуска 30 Вт и через 0,2 с меняется на 260 Вт. Исходя из результатов, представленных на рис. 3 и 4, двигатель запускается через 0,12 с, что сопровождается ударными токами и электромагнитным моментом Рис. 3. Результаты исследования пуска СД с последующим набросом нагрузки с частотой питающего напряжения 5 Гц В интервале времени от 0,12 до 0,2 с наблюдается установившийся процесс, когда ток статора составляет порядка А. Электромагнитный момент при этом Нм. Скорость в синхронном режиме при частоте 5 Гц и составила рад/с. Ток возбуждения мгновенно возрастает и практически не меняется на всем интервале пуска, так как пуск осуществляется вхолостую и составляет А. Угол нагрузки равен . Рис. 4. Графики токов , , статора СД В момент времени 0,2 с подан момент сопротивления, которому соответствует мощность 260 Вт. С увеличением нагрузки ток статора практически не изменился, а электромагнитный момент во время переходного процесса возрос до Нм, что соответствует физике процесса. После переходного процесса скорость вернулась до значения рад/с, а момент Нм. Экспериментальное значение электромагнитной мощности можно вычислить следующим образом: Вт. (11) После наброса нагрузки угол . На рис. 5 и 6 продемонстрированы результаты моделирования пуска СД и наброса на него нагрузки при напряжении питания 100 В и его частоте 3,5 Гц, что составляет половину от первоначальной частоты, использованной в первом опыте. Момент сопротивления подан в то же время, что и для варианта, представленного выше. Рис. 5. Результаты исследования пуска СД с последующим набросом нагрузки с частотой питающего напряжения 2,5 Гц Рис. 6. Графики токов , , статора СД При уменьшении частоты уменьшается время пуска, следовательно, и время синхронизации должно быть меньше. Как видно из результатов моделирования (см. рис. 5), время пуска, действительно, сократилось до 0,1 с, однако увеличился и ударный ток статора до 50 А. Это объясняется следующим образом: при уменьшении частоты индуктивная составляющая сопротивления стала меньше, полное сопротивление так же уменьшилось, следовательно, ток статора увеличился. Ударный электромагнитный момент незначительно изменился до Нм, как и электромагнитный момент на интервале времени до момента наброса нагрузки Нм. Угол нагрузки увеличился до на этом же интервале времени. Ток возбуждения остался практически такой же на всем интервале времени. Аналогично предыдущему варианту в момент времени c был подан момент нагрузки, которому соответствует мощность 260 Вт. В момент времени 0,2 с, когда был подан повышенный момент сопротивления, двигатель примерно через 0,02 с начал выпадать из синхронизма, на что указывают графики электромагнитного момента и скорости. Следовательно, двигатель запускается при напряжении 100 В и частоте 2,5 Гц, но не способен выдерживать высокие моменты сопротивления на валу. На рис. 7 и 8 показан вариант нагрузки СД при увеличенной частоте (10 Гц). Момент сопротивления подан так же, как и для вариантов, описанных ранее. Рис. 7. Результаты исследования пуска СД и с последующим набросом нагрузки с частотой питающего напряжения 10 Гц Рис. 8. Графики токов , , статора СД При увеличении частоты в 2 раза время пуска, как можно наблюдать из результатов моделирования, увеличилось до 0,18 с, но при этом ударный ток статора уменьшился до A, а электромагнитный момент достиг значения Нм. Аналогично предыдущему варианту в момент времени c был подан момент нагрузки, которому соответствует мощность 260 Вт. В момент времени 0,2 с, когда был подан повышенный момент сопротивления, двигатель находился в режиме синхронизма. В дальнейшем (0,3 с) режим синхронизма сохранился, на что указывают графики электромагнитного момента и скорости. При частоте питающего напряжения 10 Гц увеличилось время переходного процесса, однако СД не выпал из синхронизма. Выводы: 1. Проведенные исследования режима наброса нагрузки при различных частотах показали возможность синхронного пуска в диапазоне частот от 2,5 до 10 Гц. 2. Наброс нагрузки при постоянной мощности Pm на валу сопровождается увеличением момента сопротивления при снижении частоты питающего напряжения. Это закономерно, двигатель при малой частоте питания (2,5 Гц) выпадает из синхронного режима [2]. 3. При повышенной частоте питающего напряжения (10 Гц) пуск происходит медленнее, чем при частоте, равной 5 Гц, но при этом пуск двигателя и вхождение в синхронизм сопровождаются меньшими ударными токами, что также позволит упростить процесс идентификации параметров синхронной машины [15, 16, 17, 18, 19]. 4. Вариант пуска при частоте, равной 5 Гц, оказался оптимальным для проведения дальнейшего исследования. Исходя из представленных результатов, двигатель запускается при напряжении 100 В и частоте 5 Гц с допустимыми ударными значениями токов статора и электромагнитного момента, и при заданных изменениях момента сопротивление не выпадает из синхронизма. Полученные результаты подтверждают возможность разработки систем и способов плавного пуска синхронных двигателей, применение которых на практике позволит увеличить срок службы электрических машин и других потребителей электроэнергии. Проделанная работа не позволила получить оптимальные параметры плавного пуска синхронных двигателей, поэтому дальнейшие исследования являются крайне перспективными.

About the authors

G. V Butorin

Perm National Research Polytechnic University

A. T Klyuchnikov

Perm National Research Polytechnic University

E. A Chabanov

Perm National Research Polytechnic University; Volga State University of Water Transport

References

Statistics

Views

Abstract - 27

PDF (Russian) - 9

Refbacks

• There are currently no refbacks.