Устройство для частотного пуска и синхронизации с сетью синхронной машины

 

Изобретение относится к электротехнике , в частности к электроприводам . Цель изобретения - повышение экономичности, надежности и упрощение наладки устр-ва. Устр-во содержит инвертор 1, силовые выключатели 2 и 6, синхронную машину СМ) 3, управляемый выпрямитель 5, систему управления (СУ) 7 инвертором и СУ 8 управляемым выпрямителем, регулятор тока 10, датчик тока 9, блок управления 11 силовыми выключателями , фазовый дискриминатор 12, чаkn

А1

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТМИЕО1ИХ

РЕСПУБЛИК (19) (11) (50 4 Н 02 Р 1/50

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К д ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3702654/24-07 (22) 08.12.83 (46) 23.08.86, Бюл, У 31 (71) Уральский ордена Трудового

Красного Знамени политехнический институт им. С.М,Кирова (72) В.В.Белошабский, А.М.Вейнгер, И.M.Ñåðûé, А.В.Тихонов, Н.В.Бояринцев, А.С,Гусев, С.В.Никулин, Н.С.Павленко, В.С.Третьяков, В.М.Нигин и А.И.Малкин (53) 621,316.7(088.8) (56) Патент СЮА У 4012679, кл. Н 02 P 1/50, кл. 318.167, 1975.

Авторское свидетельство СССР

У 788319, кл. Н 02 Р 1/50, 1980. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЧАСТОТНОГО ПУСКА

И СИНХРОНИЗАЦИИ С СЕТЬЮ СИНХРОННОЙ

МАШИНЫ (57) Изобретение относится к электротехнике, в частности к электроприводам. Цель изобретения — повышение экономичности, надежности и упрощение наладки устр-аа. Устр-во содержит инвертар 1, силовые выключатели

2 и 6, синхронную машину (CM) 3, управляемый выпрямитель 5, систему управления (СУ) 7 инвертором и СУ

8 управляемым выпрямителем, регулятор тока 10, датчик тока 9, блок управления 11 силовыми выключателями, фазовый дискриминатор 12, ча1252890 стотный дискриминатор 13, датчик 14 в зоне малых сигналов с ограниченинебаланса напряжений и регулятор ем на заданном уровне вне этой зовозбуждения 15. В устр-.во введены ны, бесконтактные ключи 23 и 24. За задатчик интенсивности 16, снабжен- счет действия контуров регулированый релейным элементом 17 и интегратором 18, регуляторы 19 и 20 положения и частоты CM 3, нелинейный элемент 21 с характеристикой типа насыщения, нелинейный элемент 22, реализующий пропорциональную связь ния положения, частоты и напряжения

СМ 3 осуществляется режим точной синхронизации напряжений сети и СМ

3 независимо от колебаний частоты сети, момента нагрузки на валу СМ 3.

1 з ° и. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к электротехнике„ в частности к устройствам для частотного пуска и синхронизации с сетью мощных синхронных машин гидроаккумулирующих электростанций, 5 компрессоров, насосов, воздуходувок, мельниц и т.д. в ряде отраслей промышленности (энергетике, нефтяной, газовой, горнорудной, металлургической и др.), и может быть использовано для пуска, синхронизации и .«в переключения укаэанных машин в сеть переменного тока, в частности в. сеть, питающую устройство.

Целью изобретения является повышение экономичности и надежности за счет устранения колебаний при синхронизации сети и синхронной машины и упрощение наладки устройства. 20

На фиг. 1 представлена принципиальная электрическая блок-схема устройства для частотного пуска и синз ронизации с сетью синхронной машины; на фиг. 2 — диаграмма его рабо- 25 ты, на фиг. 3 — статические характеристики нелинейных элементов устройства.

Устройство для частотного пуска и синхронизации с сетью синхронной 30 машины содержит инвертор 1, выход которого предназначен дпя подключения через первый силовой выключатель

2 к фазным обмоткам синхронной машины 3, имеющей обмотку возбуждения, а

35 вход инвертора через сглаживающий реактор 4 подсоединен к выходу управ-, ляемого выпрямителя 5, вход которого предназначен для подключения к сети переменного тока, второй силовой выключатель 6, предназначенный для подключения фазных обмоток синхронной машины к сети переменного тока, системы управления инвертором 7 и управляемым выпрямителем 8, датчик

9 тока силовой цепи, подключенный выходом через регулятор 10 тока,имеющий задающий вход, к входу системы управления выпрямителем, блок 11 управления силовыми выключателями, двумя выходами соединенной с двумя силовыми выключателями, фазовый дискри-— минатор 12, частотный дискриминатор

13 н датчик 14 небаланса напряжений, одни входы которых предназначены для соединения с сетью, а вторые— с выходными зажимами инвертора, регулятор 15 возбуждения, вход которого соединен с выходом датчика небаланса напряжений, а выход предназначен для подключения к обмотке возбуждения синхронной машины, выходы фазового и частотного дискриминаторов, датчика небаланса напряжений связаны с входом блока управления силовыми выключателями.

В устройство для частотного пуска и синхронизации с сетью синхронной машины введены задатчик 16 интенсивности, снабженный релейным элементом

17 и интегратором 18, охваченными отрицательной обратной связью, регуляторы положения 19 и частоты 20 синхронной машины, первый нелинейный элемент 21 с характеристикой типа на" сыщения, второй нелинейный элемент

22, реализующий пропорциональную связь в зоне малых сигналов с ограничением на заданном уровне вне этой эоны, первый 23 и второй 24 бесконтактные ключи, а блок управления си252890

4 (фиг. 2 ), определяющий уровень тока силовой цепи, равен нулю.

Выходной сигнал задатчика .16 ин-, тенсивности с заданным темпом спадает до нуля (сигнала задания разности частот сети и синхронной машины, 311 соответствующего синхронной скорости машины); Регулятор 20 частоты поддерживает скорость синхронной машины (разность частот сети и синхронной машины) равной заданной независимо

35 от изменения нагрузки или момента инерции разгоняемого агрегата, что достигается изменением выходного сигнала регулятора 20 частоты, определяющего величину сигнала задания регулятора 10 тока, а следовательно, действительного тока фазньгх обмоток синхронной машины. Система 7 управления инвертором при этом осуществля" ет автоматическое управление углом опережения открывания вентилей инвертора 1, формируя импульсы управления вентилями инвертора частотной синхронной машины и заданным углом опережения любым известным способом с помощью напряжений на выходных зажимах инвертора нэ условий обеспечения надежной работы инвертора, уменьшения пульсаций момента синхронной машины, максимального повышения энергетических показателей и экономичности устройства для частотного пуска и синхронизации с сетью синхронной машины.

В исходном положении устройства 4О отключены первый и второй силовые выключатели 2 и 6, второй бесконтактный ключ 24, регулятор возбуждения 15. Первый бесконтактный ключ

23 замкнут. Скорость (фиг. 2 д) и 45 ток возбуждения (фиг. 2 Ь) синхронной машины равны нулю. Выходные сигналы датчика 14 небаланса напряжений (фиг, 2 ), частотного дискриминатора 13 (фиг. 2мд соответствуют напряжению и частоте сети и имеют максимальное положительное значение.

Выходной сигнал задатчика 16 интенсивности (фиг. 2 e) при замкнутом первом бесконтактном ключе 23 автоматически устанавливается на уровне, соответствующем частоте сети. Выходной сигнал регулятора 20 частоты з 1 ловыми ключами снабжен двумя дополнительными выходами. При этом задающий вход, регулятора частоты 20 подключен к вьгходу эадатчика интенсивности 16, вход обратной связи регулятора частоты через первый нелинейный элемент 21 соединен с выходом частотного дискриминатора 13, а выход регулятора частоты 20 подключен к задающему входу регулятора тока 10 и через первый бесконтактный ключ 23 — к входу интегратора 18 задатчика интенсивности 16, вход регулятора положения 19 подключен к вы= ходу фазового дискриминатора 12, а выход через второй нелинейный элемент 22 и второй бесконтактный ключ

24 соединен с входом задатчика интенсивности 16, управляющие входы первого 23 и второго 24 бесконтактных ключей соединены с дополнительными выходами блока 11 управления силовыми выключателями.

Второй нелинейный элемент может реализовать пропорциональную связь в зоне малых сигналов с ограничением на уровне одной полярности вне этой зоны.

Устройство для частотного пуска и синхронизации с сетью синхронной машины, регулирующая часть системы автоматического управления которого выполнена по принципу систем подчинечного регулирования и содержит контур регулирования положения с подчиненными контурами регулирования. частоты, напряжения и тока синхронной машины, работает следующим образом.

При подаче команды на пуск синхронной машины в момент времени осуществляется включение первого силового выключателя и регулятора возбуждения 15. Происходит интенсивное нарастание тока возбуждения до заданного максимального значения за время, определяемое постоянной времени обмотки возбуждения и кратностью . форсировки напряжения регулятора возбуждения.

На основании анализа ЭДС, трансформируемых в фазных обмотках синхронной машины при нарастании тока возбуждения, в системе управления инвертором осуществляется подготовка к включению необходимых групп тиристоров инвертора. Спустя выдержку времени, необходимую для установления тока возбуждения, в момент времени „ осуществляется размыкание первого бесконтактного ключа 23.

5 1252890 ный коэффициент передачи в зоне больны на начальной стадии пуска, пульса40

55.

Первый нелинейный элемент 21 с характеристикой типа насыщения в цепи обратной связи регулятора 20 частоты, характеристика которого представлена на фиг. 3а, имеет пониженшой разности частот сети и синхронной машины (малой скорости синхронной машины). Уменьшение в этой зоне контурного коэффициента усиления и быетродействия контура регулирования частоты исключает возможность возникновения в схеме устройства для частотного пуска и синхронизации с сетью синхронной машины автоколебаний, вызванных пульсациями момента и скорости синхронной машициями выходного сигнала частотного дискриминатора 13.

Напряжение на выходных зажимах инвертора (фиг. ?а) в первом приближении пропорционально скорости синхронной машины и меньше напряжения сети (фиг. 2а) до скорости, близкой к синхронной,в связи с чем ток возбуждения синхронной машины остается на уровне ограничения во все время разгона синхронной машины.

Выходной сигнал фазового дискриминатора 12 (фиг. 2ц), реализуемого как трехфазный фазочувствительный выпрямитель, при скоростях синхронной машины, меньших синхронной скорости, незначителен, и нри разомкнутом втором бескоитактном ключе 24 не влияет на закон изменения во времени сигнала задатчика 16 интенсивГ ности, а следовательно, и на работу других узлов устройства для частотного пуска и синхронизации с сетью синхронной машины.

При скорости разгоняемого агрегата, близкой к синхронной, за счет работы контура регулирования напряжения обеспечивается равенство средиих значений напряжений сети и синхронной машины, выходной сигнал регулятора 15 возбуждения и ток возбуждения синхронной машины уменьшаются.

В момент времени с замыкается второй бесконтактный ключ 24 и регулятор 19 положения синхронной машины вводится в работу. Если разность фаэ напряжений сети и сиихрон« ной машины отлична от нуля, регулятор положения изменяет уставку

35 регулятора частоты, а следовательно, и скорости синхронной машины, обеспечивая отработку ошибки по фазе, Второй нелинейный элемент 22 между выходом регулятора 19 положения и входом задатчика 16 интенсивности (Фиг. 36), обеспечивает ограничение предельных уровней сигнала коррекции частоты.

Принцип работы, методы расчета, реализация регулятора положения устройства для частотного пуска и синхронизации с сетью синхронной машины весьма близки к регуляторам электроприводов, регулируемых по положению и нашедших широкое распространение в промышленности (например, электроприводов летучих ножниц прокатных станов, работающих в режиме непрерывного вращения с корректировкой положения ножей относительно переднего конца проката и т.п.} .

За счет действия контуров регулирования положения, частоты и напряжения синхронной машины осуществляется режим точной синхронизации напряжений сети и синхронной машины.

Переходные процессы при синхронизации являются типовыми для систем подчиненного регулирования и имеют незначительное перерегулирование по положению. Бремя синхронизации определяется выбранным быстродействием системы автоматического регулирования устройства.

Включение второго силового выключателя 6 осуществляется в произвольный момент времени t> Разброс во времени срабатывания второго силового выключателя, колебания нагрузки на валу агрегата, изменения напряжения и частоты питающей сети не приводят к аварийным процессам в силовой цепи, что повышает надежность устройства для частотного пуска и синхронизации с сетью синхронной машины.

В произвольный момент времени с4 сз осуществляется отключение первого силового выключателя 2, размыкание второго бесконтактного ключа

24, замыкание первого бесконтактного ключа 23. Иожно не производить отключение устройства для частотного пуска и синхронизации с сетью синхронной машины, а оставить его в режиме горячего резерва для экстренного торможения синхронной машины.

1252890 8

10

В случае недопустимости по технологии работы (или соображениям надежности механооборудования) агрегата, раэгоняемого синхронной машиной, лишних ударов, в механизме можно режим синхронизации сети и синхронной машины при больших рассогласованиях по фазе производить за счет повышения скорости синхронной машины. С целью снижения вероятности появления режима синхронизации путем снижения скорости синхронной машины, сопровождающегося ударами в механизме, второй нелинейный элемент

24 может иметь ограничение на уровне одной полярности, соответствующей повышению скорости синхронной машины (фиг. ЗЬ).

Зона, в пределах которой синхронизация осуществляется снижением скорости синхронной машины, устанавливается минимальной по условиям сохранения работоспособности устройства в случае роста перерегулирования в контуре регулирования положения синхронной машины.

Таким образом, введение в устройство для частотного пуска и синхронизации с сетью синхронной машины задатчика интенсивности, регуляторов положения и частоты синхронной машины, первого ивторого нелинейных элементов, первого и второго бес контактных ключей, двух дополнительных выходов блока управления силовыми ключами позволяет осуществить формирование требуемого момента„ скорости и положения синхронной машины, воздействует на ток фазных обмоток синхронной машины путем изменения углов отпирания вентилей управляемого выпрямителя, обеспечивая автоматическое управление углом опережения открывания вентилей инвертора из условия максимального повышения энергетических показателей и использования синхронной машины, обеспечить режим точной синхронизации напряжений сети и синхронной машины независимо от колебаний частоты и напряжения сети, момента нагрузки на валу синхронной машины; реализовать типовые, известные еще до стадии проектирования свойства систем подчиненного регулирования (заданное быстродействие, стандартный характер переходных процессов с незначительным пере15

55 регулированием), автоматическое формирование задания разности частот сети и синхронной машины в процессе работы, что повьппает экономичность и надежность, упрощает наладку устройства для частотного пуска и синхронизации с сетью синхронной машины в сравнении с известным устройством.

Формула

1 . Устройство для частотного пуска и синхронизации с сетью синхронной машины, содержащее инвертор, выхоц которого предназначен для подключения через первый силовой выключатель к фазным обмоткам сикхронной машины, имеющей обмотку возбуждения, а вход инвертора через сглаживающий реактдр подсоединен к выходу управляемого выпрямителя, вход которого предназначен для подключения к сети переменного тока, второй силовой выключатель, предназначенный для подключения фазных обмоток синхронной машины к сети переменного тока, системы управления инвертором и управляемым выпрямителем, датчик тока силовой цени, подключенный выходом через регулятор тока, имеющий задающий вход, к входу системы управления выпрямителем, блок управления силовыми выключателями, двумя выходами, соединенный с двумя силовыми выключателями, фазовый дискриминатор, частотный дискриминатор и датчик небаланса напряжений, одни входы которых предназначены для соединения с сетью, а другие с выходными зажимами инвертора, регулятор возбуждения, вход которого соединен с выходом датчика небаланса напряжений, а выход предназначен для подключения к обмотке возбуждения синхронной машины, выходы фазового и частотного дискриминаторов, датчика небаланса напряжений связаны с входом блока управления силовыми выключателями, о т л и ч аю щ е е с я тем, что, с целью повышения экономичности и надежности за счет устранения колебаний при синхронизации сети и синхронной машины и упрощения наладки, в него введены эадатчик интенсивности, снабженный релейным элементом и интегратором, охваченными отрицательной обратной связью, регуляторы положения и чаl252890 стоты синхронной машины, первый нелинейный элемент с характеристикой типа насыщения, второй нелинейный элемент, реализующий пропорциональную связь в эдне малых сигналов с ограничением на заданном уровне вне этой зоны, первый и второй бесконтактнйй ключи, а блок управления силовыми ключами снабжен двумя дополнительными выходами, при этом задающий вход регулятора частоты синхронной машины подключен к выходу эадатчика интенсивности, вход обратной связи регулятора частоты через первый нелинейный элемент соединен с выходом частотного дискриминатора., а выход регулятора частоты синхрон àÀ машины подключен к задающему входу регулятора тока и через первый бесконтактный ключ — к входу интегратора эадатчика интенсивности, вход регулятора положения синхронной ма5 шины подключен к выходу фазового дискриминатора, а выход через второй нелинейный элемент н второй бесконтактный ключ соединен с входом эадатчика интенсивности, управляющие

10 входы первого и второго бесконтакт" ных ключей соединены .с дополнительJ ными выходами блока управления сило Выми выключателями.

2. Устройство по и. 1, о т л ич а ю щ е е с я тем, что второй нелинейный элемент имеет ограничение на уровне одной полярности.

Составитель В. Тарасов

Редактор П, Коссей Техред Л. Серлюкова Корректор Л.Пилипенко

Заказ 4628!54 Тирал(631 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета. СССР по делам изобретений и открытий

1!3035, Москва, Ж"35, Раушская наб., д, 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Укгород, ул. Проектная, 4