Способ управления бесщеточной синхронной машиной

 

Изобретение относится к области электротехники, более конкретно к синхронным машинам с бесщеточным возбуждением . Цель изобретения - улучшение качества электроэнергии потребителей и упрощение. В способе управления для этого формируют сигнал скорости вращения вала, суммируют его с ранее сформированным сигналом и формируют частоту управляющих сигналов, по числу фаз обмотки возбуждения возбудителя по одной гармонической функции . Это позволяет реализовать способ с помощью возбудителя с однофазной обмоткой возбуждения. 6 ил.

СОЮЗ. СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСГ1УБЛИН (51) 5 Е1 02 P . 9/14

5, a,"Æ Ã ь. !) ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

nPV T СССР

1 (61) 1305821 (21) 4467791/07 (22) 15,06,88 (46) 30.01.91. Бюл. 11 - 4 (75) P.С. Цгоев (53) 621.316 ° 727:621.313.322(088,8) (56) Авторское свидетельство СССР

Б : 1305821, кл, Н 02 Р 9/14, 1985.

I (54) СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ БЕСЦ1ЕТОЧНОЙ

СИНХРОННОЙ МАШИНОЙ (57) Изобретение относится к области электротехники, более конкретно к

Изобретение относится к электротехнике и .может быть использовано для управления машинами переменного тока, преимущественно синхронными машинами с бесщеточным возбуждением.

Целью изобретения является улучшение качества электроэнергии потребителей и упрощение.

На фиг.1 приведены графики асинхронного момента и полного тока в якорной обмотке возбудителя; на фиг.2 — принципиальная схема устройства для управления бесшеточной синхронной машиной; на фиг.3 — схема выполнения формирователя частоты; на фиг. 4 — фрагмент формирования частоты при его выполнении с дискретным . управлением; на фиг. 5 — схема регулятора; на фиг. 6 — схема датчика положения ротора синхронной машины.

Способ управления бесщеточной синхронной машиной заключается в следующем.

„„SU„„3624657 А 2

2 синхронным машинам с бесщеточным возбуждением. Цель изобретения — улучшение качества электроэнергии потребителей и упрощение. В способе управления для этого формируют сигнал скорости вращения вала, суммируют его с ранее. сформированным сигналом и формируют частоту управляющих сигналов по числу фаз обмотки возбуждения возбудителя по одной гармонической функции. Зто позволяет реализовать способ с помощью возбудителя с однофазной обмоткой возбуждения. 6 ил.

По гармоническим сигналам датчиков положения ротора и напряжения статора синхронной машины формируют сигнал, пропорциональный углу g между какоилибо осью ротора и вектором напряжения ю® сети. При этом, например, реализуется ф 1 известное тригонометрическое соотношение: в

)=arcsin(g t-g t)=are(sin03 t ° созя с- © с p . . с р

-cosQ3

С и вращения ротора; время.

Зтот сигнал сравнивают с уставкой С угла и формируют, например, сиг-, 3Э нал прспорционально-дифференциально- р

ro регулирования по отношению

Ujg Uo (Ko+K( где К,K — коэффициенты регулирования;

° 3!

624557

ЦР

По аналогии сигналу (2) формируют по числу фаз обмотки возбуждения возбудителя гармонические сигналы еди5 ничной амплитуды с частотой

g ==Я + (Кд+К, —.. ) (1- „) . (3)

Й

Гармонические сигналы (3) образуют напряжения единичной амплитуды, определяемые соотношением

U <=cos ), (4) где $ =Qt.

Сигнал управления, сформированный автоматическим регуляторам возбуждения (эта, например, обычный. автоматический регулятор возбуждения сильного действия типа АРВ"СД) синхронной машины !!Е, суммируется с сигналом .(2): 20

Ug =U Рб +Up) - (5)

Далее сигнал (5) умножается на единичное напряжение (4) и формируются- сигналы напряжения возбуждения,, 25 например, для трех фаз а,Ь,с возбу-. дителя

Ug(-П р U @=.Ug саз =!! (в! =!!Ю(с) (6)

Эти напряжения (6) через систему импульсно-фазового управления подаютна на мно афазный тиристорный преобразователь частоты, на выходе которого формируется напряжение возбуждения возбудителя. Многафазное (на" пример, 3-фазное) напряжение с выхода тиристарного преобразователя частоты падается на неподвижную многофаэную обмотку возбуждения возбудителя, создавая гармонически изменяю- 40 щееся с частотой (3) поле возбуждения. Эквивалентное напряжение возбуждения равно о b (!Е (!Е(0! !!Е(cosl20 -U < (} саз!20 4

=2U соя .

Па известному соотношению эта гармоническое напряжение может быть представлено как сумма прямого и са50 пряженного векторов напряжений: е! +е " jg -jII

U) 2 U )- = =U. (е +е ), (6), ЕЦ 2 Я»

Сопряженный вектор напряжения

U е И создает вращающееся в соотk2. ветствии с выражением (3} с двойной частотой по отношению к ротору (т.е. вращающееся против вращения ротора) поле возбуждения, по отношению к которому возбудитель находится в режиме так называемого противовключения с небольшим моментом на валу, который можно практически не учитывать, Прямой вектор напряжения ц 1

=Up< e создает вращающееся с частотой (3) в сторону вращения ротора поле возбуждения. Это основное для предлагаемого способа поле, вращаясь относительна расположенной на роторе якорной обмотки возбудителя, подключенной через вращающийся вентильный выпрямитель к обмотке возбуждения синхронной машины, создает дополнительный момент вращения, определяемый соотношением ((! и) (7) где Я вЂ” частота напряжения возбуждения, определяемая соотношением (3), Я вЂ” частота вращения ротора .синхронной машины;

0 — модуль сигнала вектора на25 пряжения возбуждения возбудителя (6 );

F — коэффициент магнитной связи между обмотками статара и ротора возбудителя;

Т вЂ” постоянная времени якорной обмотки возбудителя с учетом активного сопротивления обмотки возбуждения синхронной машины;

К +)Х вЂ” активное и индуктивное сопротивление — обмотки возl. буждения возбудителя;

Т вЂ” переходная постоянная времени якорной обмотки возбудителя, Момент, определяемый соотношением (7), в сущности является дополнительным асинхронным моментом, соз даваемым дополнительным управлением величиной и частотой напряжения возбуждения возбудителя, На фиг.! показан рассчитанный по соотношению (7) график зависимости момента от частоты скольжения (Я-Я ) переменного тока.в обмотке возбуждения возбудителя по отношению к частоте вращения ротора — это кривая М.

При вращении ротора синхронной машины с синхронной частотойЯ=! (на фиг.! вертикальная линия аЬ) асингде Т. — механическая инерционная

3 постоянная ротора синхрон-. ной машины и возбудителя; d

Р= †: - символ дифференцирования

dt

Ф

U - -напряжение статора синхрон- . ной машины;

E=I 1Х L

Ig g

3. х Х - ЭДС синхроннои машины, Х вЂ” индуктивное сопротивление статора синхронной машины.

Как следует из (2) и (3), для .упрощения анализа в (8) можно принять

U . ф=const-=С.

f5

Тогда, учитывая (3), а, также Q

=Ю +Р, где М вЂ синхронная частота напряжения статора синхронной ма55

16246

S хронный момент, приложенный к валу машины при изменении частоты Q, различен по величине и знаку. Если дополнительный регулирующий сигнал отрицательный, т. е. g(=(3- )(О, то это значит, что ротор затормозился, поэтому к нему необходимо приложить положительный, т.е. двигательный асинхронный момент. Из графиков фиг,1 видно, что для этого в обмотке воз-, буждения возбудителя должны быть токи с частотойЯ >Я .

Если указанный сигнал положительный т, е 1 0 то. это значит что ро тор синхронной машины разогнался по отношению к вектору напряжения сети, поэтому к ротору необходимо приложить. отрицательный, т.е. генераторный момент. Из графиков фиг.1 видно, что. для этого в обмотке возбуждения возбудителя должны быть, токи с частотой Я< (Яр, Рассмотрим вопрос повышения устоичивости. 25

На вал синхронной машины действуют два момента — момент, развиваемый самой синхронной машиной, и момент (7), раэвиваелый возбудителем при предлагаемом способе регулирования.

Тогда, приняв в (7) R =О, уравнение движения синхронной машины при(а-СО ) нт(")

Х P 35 (8) 57 шины, характеристическое .уравнение согласно (8):имеет вид

+ т p+ Бе р ь ятс 0 (9

ХТ ХТ г Х Т

Корни уравнения (9) имеют вид

2ХТ, (10)

Очевидно, из (9) и (10), что при

К О, К у 0 синхронная машина устойчива во всех режимах, в том числе и при отрицательных углах

Изменяя в функции отклонения угла от задания главно частоту. и величину напряжения возбуждения возбудителя на валу синхронной машины создается допо,мнительный момент требуемого знака и величины, что повышает электромеханическую устойчивость синхронной машины. При этом дополнительное регулирование не мешает основному регулированию.

Регулирование дополнительного момента можно осуществлять не только плавно в соответствии с изменением частоты по отклонешпо угла от задания по соотношению (3), но и дискретно, Например, задаться тремя частотами:

1,05, 0; 0,95. При этом, если отклонение угла от уставки 1 =О, то частота задается Q3 =О, если 1(0, то Я .

=1,05, если 113 о О, тоу =0,95. Величина напряжения, соответственно, также меняется с измененпем частоты.

Очевидно, что дополнительный момент также меняется по знаку и величине дискретно (скачком). Длительность импульса момента определяется только и соотношением Ьц <О. Это можно сделать и с зоной нечувствительности, задав, например, при . "а<43(а 63 = О, при, 5((-аИ = 1, 05, при ьР а 63 = О, 95.

Во всех рассьютренных случаях реализации способа происходит повышение устойчивости синхронной машины.

Способ управления бесщеточной синхронной машиной представляет собой следующую последовательность операций:

1. Дополнительно формируют. сигнал скорости вращения вала.

2. Суммируют сигнал скорости вращения вала с результирующим (суммарньм) сигналом, сформированным в основном изобретении, 3. Формируют частоту управляющих сигналов по числу фаз обмотки возбуж1624657

15 (12) дения возбудителя по одной тригоно" метрической функции.

При этом обмотку возбуждения возбудителя можно выполнить однофазной.

Таким образом, благодаря созданию на валу возбудителем. дополнительного момента требуемой величины и знака расширяется область устойчивости синхронной машины, конкретно в режимах недовозбуждения и отрицательного возбуждения, В последнем случае величина потребляемой реактивной мощности возрастает на 20 по сравнению с величиной, обеспечиваемой известными способ ами.

Рассмотренный способ может быть реализован при помощи устройства по фиг..2. Статорная обмотка 1 синхронной машины подсоедиена к энергосистеме. На роторе машины размещена обмотка 2 возбуждения. Вращающийся выпрямитель 3 соединен с якорной обмоткой 4 переменного тока обращен, 1 ного возбудителя, Трансформатор 5 напряжения и трансформатор 6 тока статорной обмотки I а также бесконтактные датчики напряжения 7 и тока 8 обмотки возбуждения соединены с входами .автоматического регулятора 9 возбуждения (АРВИД. Выход блока 10 импульсно-фазового управления соединен через управляемый преобразователь 11 частоты, питание которого осуществляется от источника 12 .возбуждения, с неподвижной многофазной обмоткой 13 возбуждения возбудителя. Выходы трансформатора 5 напряжения статора 1 и датчика 14 положения ротора синхронной машины соединены с входами датчика 15 угла, выход которого как и выход задатчика 16 угла и выход датчика 14 соединены с входами регулятора

17, выход которого соединен с входом формирователя 18 частоты и первым входом сумматора 1Р второй вход которого соединен с выходом автоматического регулятора 9 возбуждения, Вы.воды формирователя 18 частоты сумматора 19 соединены с входами блока 20 произведения, выход которого соединен с входом блока 10 импульсно-фазового управления.

Задатчик 16 угла в простейшем случае представляет собой источник стабилизированного напряжения с регулируемым потенциометром, с движка которого снимается сигнал задания по углу. Регулятор 17 угла — обычный про8 порционально-дифференциальный регуля-тор на операционном усилителе.

Формирователь 18 частоты может быть выполнен на базе кварцевого генератора с делителем частоты или на базе генера;ора сигналов низкочастотного типа, В простейшем случае форми-, рователь 18 частоты можно выполнить как колебательное звено второго порядка.

В основу построения такого формирователя частоты взята модель, опи" сываемая линейным дифференциальным уравнением второго порядка с постоянными коэффициентами:

d X/d1: +M X=0. (1 1)

Общий интеграл уравнения выражется так:

20 X=A зхп ; A= где A — амплитуда колебаний;

Хд(=0) - отклонение;

X (m=0) — скорость. о

25 Очевидно что мчтематическкая модель для решения уравнения (11) может служить генератором периодических колебаний.

Формирователь (фиг.3) состоит из трех усилителей 21-23. Усилители 21 и

23 в цепи обратной связи имеют конденсаторы и работают в режиме интеграторов, усилитель 22 является инвертором. Все три усилителя включены последовательно, что обеспечивает оло житсльную обратную связь.

Положительная обратная связь с усилителя 21 на усилитель 22 необходима для компенсации внутренних потерь в формирователе.

Для стабилизации амплитуды выходного сигнала Асов g применяются стабилизирующие ограничители из кремниевых стабилитронов, включенных в цепь обратной связи усилителей. Плавное изменение .частоты на выходе формирователя осуществляется с помощью сдвоенноro регулируемого потенциометра с исполнительным элементом 24.

Выход усилителя 23 подключен к преобразователю 25 числа фаз по числу фаз многофазной обмотки 13 возбуждения возбудителя. Пресбразователь 25 числа фаэ может быть выполнен на операционных усилителях, на резисторах или на трансформаторах. Выход регулятора 17 соединен с первым входом элемента 26 сравнения, второй вход ко-. торого соединен с аналоговым выходом

1624657

10 датчика 27 частоты на выходе формирователя. Выход элемента 26 сравнения соединен с исполнительным элементом

24. сдвоенного регулируемого потенциометра, представляющим из себя быстродействующий привод движка потзнциометров (например, быстроходный асинхронный микродвигатель на 400 Гц или др ° ) °

При рассогласовании задания по часl0 тате от регулятора 17 и частоты на выходе формирователя по датчику 27 частоты исполнительный элемент 24 потенциометров вращает движок потен.— циометров до устранения этого рассо15 гласования. При дискретном изменении частоты формирователя 18 и полнительный элемент 24 потенциометров выполняется как переключатель с управлением также от регулятора 17. При этом (фиг.4) каждый из регулируемых потенциометров заменяется несколькими последовательно соединенными постоянными сопротивлениями, точки вза- 25 имного соединения которых подключены к клеммам переключателя. При этом элемент 26 выполняется как операционный усилитель в компараторном режиме, а датчик 27 частоты не используется.

Такое устройство проще в исполнении, обеспечивает высокое быстродействие, но дискретно, Источник 12 возбуждения может быть выполнен на повышенную частоту.(например, на 400 Гц) или в качестве источника 12 можно использо- 35 вать сеть промышленной частоты 50 Гц.

В первом случае управляемый преобразователь 11 частоты может выполняться как тиристорный преобразователь час40 тоты с непо средственной связью с соответствующей системой импульсно--фа— зового управления преобразователем частоты в качестве блока 10. Во втором случае управляемый преобразова45 тель 11 частоты может быть выполнен как преобразователь частоты на осно-ве инвертора тока, В датчике 15 угла по гармоническим сигналам напряжения статора от трансформатора 5. с частотой G3 и дат50 чика 14 (например, синхронный тахогенератор ) положения ротора с частотой Я с помощью двух блоков произведения и сумматора формируется гармонический сигнал разностной частоты, а на функциональном блоке (arcsinf) из этого сигнала с периодизацией формируется требуемый угол, т.е, датчик

15 реализует соотношение (1) . Схема реализации проста, поэтому ее не приводим.

В варианте выполнения регулятора

17 по фиг. 5 выходы соответственно датчика 15 и задатчика 16 угла соединены с входами дифференцирующего элемента 28 (дифференциальный регулятср1 и суммирующего элемента 29 {пропор-,. циональный регулятор) . Выходы элементов 28 и 29 и датчика 14 через сумматор 30 соединены с. выходом регулятора 17. При этом в соответствии с. выражением (2) элемент 28 формирует сигнал дифференциального регулирования

К вЂ” (0- ц ) элемент 29 формирует

d к

Д . 0

1 1 сигнал пропорционального регулировая К,(3- E,).

Схема датчика 14 положения ротора по >иг.б содержит синхронный тахоге- . нератор 31, выводы которого соединены с выпрямительным блоком 32, на вы-. ходе которого формируется сигнал, пропбрциональный частоте (Яр ) вращения ротора, и блоком 33 пассивных.интеграторов (RC-цепочки), на выходе которого формируются гармонические сигна-. лы практически постоянной амплитуды, 1(д 6 образующие вектор е > углового положения ротора.

Усчройство реализует предлагаемый способ следующим образом.

По гармоническим сигналам трансформатора 5 напряжения и датчика 14 положения ротора в. датчике 15 углаформируется сигнал в соответствии с выражением (1), пропорциональный углу, например, между поперечной осью ротора синхрог:.>ой машины и вектором напряжения ее статора. Сигналы угла от датчика 15 и задатчика 16 угла поступают в регулятор !7. При работе синхронной машины в режиме, например, .компенсатора с отрицательным -> возбуждением задатчиком 16 формируют сигнал, соответствующий нулевому значению угла. При отклонении угла от задания регулятор 1 7 формирует пропорционально-дифференциальный сигнал в соответствии с выражением (2). по этому отклонению, который поступает в формирователь 18 частоты по сигналу (3), формирует гармонические сигналы (4) заданной амплитуды по числу фаз обмотки 13 возбудителя. Формирование задания по напряжению осуществляется в сумматоре 19 по двум

1624657

12 сигналам (5) по сигналу основного регулирования АРВ 9 и по дополнительному сигналу регулятора 17. В блоке 20 произведения сигналы с формиро5 вателя 18 частоты и сумматора 19 перемножаются и на его выходе формируется вектор напряжения управления (6 ) заданной амплитуды и частоты по числу фаз обмотки 13.

Напряжение управления подается на вход блока 10 имцульсио;.фазового управления преобразователем 11 частоты, что обеспечивает протекание по много,фазной обмотке 13 возбуждения переменногЬ тока требуемой величины. Этот ток является током возбуждения возбудителя, величина и частота которого определяется АРВ 9 (он. формирует основной сигнал управления по данным датчиков напряжения 5,7 и тока 6,8 и обеспечивает уровень напряжения на статоре 1 машины в соответствии с уставкой) и регулятором 17 с элементами ..18 и 1.9 (они формируют дополнительные 25 сигналы управления но частоте и напряжению по данным датчика 15 угла).

Благодаря этому дополнительному регу-. лированию гармоническое поле неподвижной обмотки 13 возбудителя имеет пря- 0 мую и сопряженную составляющие. Пря .мое поле вращается по отношению к якорной обмотке 4 возбудителя и тем самым создается дополнительный асинхронный момент на валу синхронной ма-. шины, величина и знак которого однозначно определяются сигналом на выходе регулятора 17. Сопряженное поле через выпрямитель 3:обеспечивает основное возбуждение синхронной машины.

За счет создания в возбудителе дополнительного момента на валу требуемой величины и знака расширяется область устойчивости синхронной машины, конкретно в режимах недовозбуждения и отрицательного возбуждения. При этом в последнем случае величина потребляемой реактивной мощности возрастает на 207. по сравнению с величиной, обеспечиваемой известными спо.собами.

Формула изобретения

Способ управления бесщеточной синхронной машиной по авт. св.

В 1305821, о,т л и ч а ю шийся тем, что с целью улучшения качества электроэнергии потребителей и упрощения, измеряют скорость вращения ва" ла, сигнал, пропорциональный скорости вращения вала, суммируют с ранее сформированным сигналом и частоту управляющих сигналов по числу фаз обмотки возбуждения возбудителя формируют по полученному суммарному сигналу но одной гармонической .функции.

1624657

1624657

)624657 л

Nuz8

Составитель К. Фотина

Редактор Т. Лазоренко Техред Л.Олийнык Корректор М. Шароши

»»

Заказ 20) . Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113935, Москва, Ж-35, Раущская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101