После восстановления нормального питания СД происходит сначала разгон до подсинхронной скорости, и затем синхронизация с момента подачи на обмотку возбуждения постоянного напряжения. Под подсинхронной скоростью понимается та скорость, при которой после подачи постоянного возбуждения СД входит в синхронизм.
При самозапуске тихоходных СД, используемых в основном в качестве приводов поршневых компрессоров, с пониженными значениями момента во всем диапазоне рабочих скольжений, центральной является проблема максимального повышения электромагнитного момента при всех рабочих скольжениях. Известны способы повышения электромагнитного момента СД, основанные на однократном и непрерывном изменении кратности пускового сопротивления [18]. Недостатком способов является относительно небольшое увеличение момента СД. Предложены вентильно-конденсаторные системы возбуждения при асинхронном пуске СД [23] путем последовательного включения с пусковом сопротивлением Rп конденсатора. Этим способом достигается погашение пускового момента при одновременном уменьшении входного, что затрудняет последующую синхронизацию двигателя. Способу присущ также тот недостаток, что для его реализации требуется применение неэлектролитических конденсаторов большой емкости с высоким рабочим напряжением [23]. Поэтому для высоковольтных СД большой мощности этот способ практического значения не имеет.
Наиболее эффективными являются способы, основанные на подключении к обмотке возбуждения возбудителей с изменяющимися во времени по определенным законам напряжением на обмотке возбуждения или сопротивлением в цепи этой обмотки [14-16]. Характерным для этих способов является метод их выбора и обоснования, сводящийся к применению к возбудителю с заранее известной структурой наперед заданного закона управления и последующим определением оптимальных значений параметров управления по максимуму электромагнитного момента СД. При решении вопросов самозапуска тихоходных СД эти управления не всегда обеспечивают необходимое повышение электромагнитного момента во всем рабочем диапазоне скольжений. Поэтому представляется важным знать пределы повышения электромагнитного момента СД независимо от конкретного исполнения возбудителя, что неразрывно связано с вопросом определения без связи со структурой возбудителя оптимальных управлений возбуждением по критерию максимума электромагнитного момента СД при всех скольжениях. Тогда реализация найденных законов управления сводится к чисто инженерной задаче, решение которой может быть произведено различными способами в зависимости от имеющихся в распоряжении разработчика технических средств.
Оптимальный закон изменения напряжения U на кольцах обмотки возбуждения при подключении к ней возбудителя произвольного исполнения, при котором среднее значение момента, обусловленного взаимодействием тока возбуждения с потокосцеплением статора, максимально при ограничениях на максимальное значение напряжения на кольцах обмотки возбуждения (из условия электропрочности изоляции)
(3.28) и действующее значение тока возбуждения (из ограничения тепловыделений в обмотке возбуждения, причем на любом интервале времени, равном периоду Т изменения тока возбуждения, мощность тепловыделения не превышает заданную допустимую)
(3.29)
определенный в результате решения соответствующей вариационной задачи, имеет вид
(3.30) где
(3.31)
Решение (3.30) показывает, что оптимально напряжение на обмотке возбуждения должно изменяться скачком, принимая граничные значения + в функции угла Θ и скольжения S в моменты времени, когда угол Θ между сходящимися магнитными полями статора и обмотки возбуждения равен. Амплитуда напряжения Ufm, ограниченная согласно (3.28) значением U'fm, выбирается одновременно из условия (3.29), чтобы действующее значение тока при оптимальном управлении не превысило Ifm.
Максимальный момент при оптимальном управлении равен
’ (3.32)
где Мкз- момент СД при замкнутой накоротко обмотке возбуждения.
Основная особенность и практическое значение графика Мопт в том, что он представляет предел повышения электромагнитного момента СД при управлении возбуждением (рис. 3.8). Всякое превышение момента связано либо с перенапряжением на кольцах обмотки возбуждения, либо с перегрузкой ее по току. График Мопт, значения которого довольно несложно рассчитываются по выражению (3.32), нужно использовать для сравнения и приближения к нему характеристик асинхронного момента СД при любых законах управления возбуждения с использованием возбудителей любого технического исполнения. С помощью этого графика при известном моменте нагрузки находится предельное скольжение при выбеге СД и допустимое время перерыва питания tnn, которое должно быть непременно обеспечено схемами защит сети, АВР и АПВ.
Из сравнения графиков Мопт и видно, что существуют большие возможности в повышении момента при скольжениях менее 0, 2 + 0, 3.
Рис. 3.8. Электромагнитные моменты СД типа ДСКП-260/24-36 при 1- циклической подаче однополярного номинального возбуждения через шунтируемое сопротивление (Мовг); 2-циклическом симметричном номинальном напряжений (Мкц); 3-циклически вводимом сопротивлении (Мкц); 4 и 5-циклическом возбуждении, чередующемся с гашением поля На сопротивление, соответственно, при форсированном в 1,5 крат (Мвгф) и номинальном (Мвг) напряжении; 6-замкнутой обмотке возбуждения на пусковое сопротивление (Мрп); 7-замкнутой накоротко обмотке возбуждения (Мкз).
Пусковой момент, несмотря на применение наилучшего - оптимального - возбуждения, растет незначительно. Как следует из (3.32) пусковой момент можно повысить только одним способом увеличить допустимую амплитуду напряжения U.
Оптимальное возбуждение реализуется на базе реверсивного тиристорного выпрямителя. Кратность форсировки напряжения определяется графиком (рис. 3.8), рассчитанном согласно выражений (3.28) и (3.29). Максимальная кратность Форсировки практически равна кратности пускового сопротивления (3-5 крат), применяемого при обычном СП.
В серийно выпускаемых возбудителях не предусматриваются указанные кратности форсировки напряжения [18], что, естественно, является препятствием практического применения оптимального управления возбуждением. Если ориентироваться на использование серийных возбудителей, у которых кратность форсировки равна 1, 6+1, 7, то следует говорить лишь о практически реализуемом оптимальном возбудителе, с применением которого можно добиться максимального повышения электромагнитного момента, но который всегда будет не выше Мопт.
Рис. 3.9. Процессы при оптимальном управлении возбуждением.
С точки зрения простота практической реализаций, минимального числа силовых элементов и их достаточности в возбудитель должны входить управляемый источник напряжения и переменное активное сопротивление Rв, соединенные Последовательно (рис. 3.9). При применений этого возбудителя двигателем при всех скольжениях развивается максимальный момент в случае, если напряжение UB и сопротивление изменяются скачком, принимая только граничные значения, в функций утла Θ, скольжений и тока возбуждения (рис. 3.9) согласно законов
где d(S)- угол коммутации напряжения UB, являющийся функцией скольжения S;
UB.ср, RB.ср -средние значения UB и RB в допустимых пределах их изменения;
Δ UB, ΔRB - амплитуды UB и RB относительно их средних значений.
Из выражений (3.33) следует, что коммутация напряжения UB и введение сопротивления R производятся одновременно, а шунтируется сопротивление RB при переходе тока через нулевое значение (рис. 3.9). Физический смысл найденного управления в том, что подачей напряжения достигается получение наибольшей амплитуды изменения тока, а кратковременным введением сопротивления RB достигается уменьшение фазового сдвига между током и наводимой вращающимся полем статора в обмотке возбуждения э.д.с. Как известно из теории электрических машин, электромагнитный момент пропорционален и амплитуде тока в обмотке ротора, и косинусу указанного сдвига фаз.
Для некоторых частных случаев исполнения возбудителя (рис. 3.9) ниже приведены в общем виде интервалы углов коммутации и подачи, соответственно максимальному и минимальному напряжению возбуждения Uв, и соответствующие графики на рис. 3.10.
Для возбудителя с одним источником напряжения UB при RB=0 независимо от среднего значения UB.ср углы коммутации равны углам для строго оптимального возбудителя
(3.34)
При отсутствии источника напряжения имеем способ циклического введения сопротивления, описанный в [16], отличающийся от него законом управления - вводится сопротивление RB в функции угла Θ и скольжения при углах, а шунтируется в момент времени, когда i=0 при Θ =β1.
Для возбудителя о симметричным напряжением UB получены следующие интервалы углов коммутации
(3.35)
Рис. 3.10. Углы коммутации: L10 и L20-для оптимального управления;
L1, β1 - дня циклически вводимого сопротивления;
L1ВГ циклического возбуждения с гашением поля.
Для возбудителя с однополярным возбуждением Uв≥0 при Rв≠0и i≥0 (ток i должен быть одного направления, что достигается подачей форсированного возбуждения) значения углов коммутации лежат в интервалах
(3.36)
При этом способе управления только при одновременно с подачей напряжения шунтируется R, а при выключении Uвводится R. Интервал (L2-L1) по углу включенного состояния возбуждения всегда превышает интервал (360 +L1-L1) подключения сопротивления (при скольжениях менее 0,1+0,15 различия в интервалах достигают 80°-90°).
Знание интервалов (3.35) и (3.36) углов коммутации позволяет строить эффективные алгоритмы их вычисления. На рис. 3.8 показаны графики моментов для некоторых частных способов исполнения оптимального возбудителя.
Проведенный анализ разработанного оптимального возбуждения СД по таким важнейшим эксплуатационным показателям, как влияние точности воспроизведения углов коммутации на величину дополнительного момента, влияние демпферной обмотки на управление и изменения тока статора и времени разгона при применении оптимального управления позволил установить следующее. Дополнительный момент пропорционален косинусу угла ошибки в воспроизведении угла коммутации. Из этого результата следует слабая чувствительность оптимального момента к погрешностям управления, но только относительно оптимальных углов. Так при ошибке в угле коммутации до 20° дополнительный момент уменьшается только на 6%. Значит, утлы коммутации возбудителя должны быть определены с высокой точностью для того, чтобы при неизбежных погрешностях в их воспроизведении техническими средствами снижение момента было бы минимальным. Демпферная обмотка не влияет на вид законов управления и оказывает незначительное влияние на значения углов коммутации. Поэтому утлы коммутации допустимо определять по наиболее простым выражениям (3.34), (3.35) и (3.36), полученным без учета демпферной обмотки. Ток статора СД при применении оптимального возбуждения при пуске возрастает на несколько процентов и остается большим при всех скольжениях (рис. 3.11). Но, вследствие повышенного момента СД, его разгон происходит в 1,5+1, 6 раз быстрее. Поэтому во времени потребление тока двигателем при оптимальном возбуждении меньше, чем при разгоне с пусковым сопротивлением.
В целом разработанные способы управления возбуждением при разгоне и сопоставление графиков моментов позволяют выбрать наилучший для практической реализации. Возможным решением задачи организации разгона СД является применение различных способов управления возбуждением при разных скольжениях, где имеются сравнительные преимущества по величине момента. В этом случае определяющим фактором является также простота перехода от одного управления возбуждения к другому.
Риc. 3.11. Токи статора ДСКП-260/24-36 при разгоне с пусковым сопротивлением (сплошные линии) и оптимальным возбуждением (пунктирные линии): I- момент сопротивления MС=I, напряжение сети Uс = I; 2-Mс=0,8, Uс=0, 95; 3-Mc=0, 9, Uc=0, 95; 4 - MС = 0,8, Uс= 0, 9.
(3.37)
определяющим величину критического скольжения SKр, до которого должен развернуться двигатель перед включением напряжения возбуждения. Это скольжение определяется через кратность максимального синхронного момента, кратность форсировки и электромеханическую постоянную времени Tj по выражению [3, 13, 17]
Считается, что определенный усреднением коэффициент 1,05 дает запас по скольжению при синхронизации порядка 20-30%.
Существует более полный критерий, которым учитывается динамическая составляющая асинхронного момента демпферной обмотки и момент явнополюсности[19]
(3.38)
При использовании критериев (3.38) и (3.37) нужно всегда помнить о пределах их применимости. Во-первых, разгон до критического скольжения должен быть обеспечен электромагнитным моментом СД при короткозамкнутой обмотке возбуждения [17, 19]. Во-вторых, возбуждение может быть включено при произвольном угловом положении ротора. Именно при этих допущениях получены выражения (3.37) и (3.38). Поэтому, воли при скольжении в момент включения возбуждения асинхронный момент двигателя при короткозамкнутой обмотке возбуждения окажется не соответствующим этому скольжению, то синхронизация может быть достигнута только с учетом углового положения ротора, т.е. возбуждение должно быть подано при благоприятном угле Θ между осью ротора и полем статора.
Эти критерии всегда дают адекватный результат при пуске двигателя со значениями статического момента нагрузки, не превышающего допустимого по техническим условиям эксплуатации - обычно (0, 3 + 0, 6). Однако в режимах самозапуска нагрузка может быть любой величины вплоть до номинальной. В этих случаях решающим при оценке успешности синхронизации становится не только синхронный момент обмотки возбуждения, но и асинхронный момент демпферной обмотки. Например, для тихоходного СД типа ДСКП-260/24-36, нагруженного на поршневой компрессор с постоянной времени Tj=3, 7 с, величина критического скольжения, вычисленная по (3.37) равна 3, 7% и по (3.38) - 4,08%, а разгон этого двигателя с номинальной нагрузкой при короткозамкнутой обмотке возбуждения возможен до скольжения 7%. Таким образом, нарушено одно из условий применимости критериев. В подобных случаях критерии не дают практического ответа на вопрос о способе осуществления синхронизации двигателя под нагрузкой.
В связи с этим для обеспечения втягивания СД в синхронизм под нагрузкой необходимо уметь определять множество значений угла Θ и скольжения, образующие зоны синхронизации, при которых включение возбуждения приведет к синхронизации двигателя.
Эти зоны определяются в результате решения уравнения динамики синхронного электропривода, записанного в фазовых переменных "угол Θ-
скольжение" с учетом всех составляющих электромагнитного момента двигателя. Уравнение имеет вид
, (3.39)
где Мс - статический момент нагрузки;
Ма - постоянная (не зависящая от угла Θ) составляющая асинхронного момента [12, 19];
Мп - периодическая составляющая асинхронного момента, зависящая от угла Θ и скольжения явнополюсности [19];
Mсм - максимальное значение синхронного момента при номинальном возбуждении;
Ifн - номинальный ток возбуждения;
i - составляющая мгновенного значения тока обмотки возбуждения, создаваемая в ней напряжением возбудителя. Мгновенное значение тока при t≥0 (от момента включения возбуждения на синхронизацию) определяется выражением
' (3.40)
где I0 - значение тока в момент включения возбуждения, определяемое как
, (3.41)
где полный ток возбуждения до начала вхождения в синхронизм;
составляющая тока короткозамкнутой обмотки возбуждения, наведенного в ней вращающимся полем статора, при взаимодействии с которым создается момент, входящий в Ма и Мп.
Решением уравнения (3.39) при фиксированном токе являются фазовые траектории на плоскости Θ-S. Значения угла Θ, при которых двигатель вращается с синхронной частотой, находятся пересечением угловых характеристик синхронного момента и момента явнополюсности с линией момента сопротивления из уравнения
(3.42)
При загрузке двигателя более (0, 2-0, 3) уравнение имеет
два решения, причем Θ1 соответствует устойчивому вращению СД, a Θ2 - неустойчивому (при малейшем изменении момента сопротивления двигатель либо уходит от угла Θ2 к углу, либо выпадает из синхронизма). Решения уравнения (3.39), Проходящие через точку Θ2, называемые сепаратрисами, разбивают фазовую плоскость "Θ-S" на области с разным характером движения. На рис. 3.12 с сепаратрисами, которые рассчитаны для синхронного двигателя ДСКП-260/24-36 при номинальной загрузкев области I движение устойчиво - двигатель входит в синхронизм, если ток if в момент включения возбуждения не менее значения, при котором построена сепаратриса границы области. Вне области I движение неустойчиво - двигатель после включения возбуждения выходит на асинхронный режим с установившимся скольжением S. При изменении значений Θ и S в пределах области устойчивости после включения возбуждения, как показал анализ, ток возрастает незначительно.
Рис. 3.12. Разбиение фазовой плоскости движения СД на области устойчивости.
Здесь устойчивому движению соответствует множество значений Θ и I, лежащих выше очередных границ. Затем на эту же плоскость ”Θ-If0” наносятся графики токов Ι/о в зависимости от угла Θ для заданного способа разгона СД до момента включения возбуждения на синхронизацию. Тогда множество точек В и 3 пересечения графиков токов с границами областей устойчивости, перенесенные на плоскость ” образуют границы зон синхронизации (рис. 3.14).
На рис. 3.13 и 3.14 приведены построения по определению зон синхронизации для ДСКП-260/24-36 при различных способах его разгона. Видно, что форма зоны синхронизации зависит от способа разгона СД. Для способов разгона с циклической подачей возбуждения нанесены линии подачи 8 и отключения 9 напряжения такой полярности, которая совпадает о полярностью напряжения при синхронизации.
Рис. 3.13. Границы областей устойчивости и начальных значений тока возбуждения при разгоне с пусковым сопротивлением (1) и циклическим возбуждением, чередующимся с гашением поля на активное сопротивление (2).
Рис. 3.14. Зоны синхронизации после разгона СД с: I - циклически вводимым сопротивлением; 2 и 7 - пусковым сопротивлением и 3 и 4 - циклическим однополярным номинальным возбуждением, чередующимся с гашением поля на сопротивление; 5 - однополярным циклическим номинальным возбуждением; 6 - оптимальным возбуждением (для 4 и 7 напряжение на синхронизацию подается номинальное, в остальных случаях - форсированное кратностью 1, 7); 8 и 9 - линии подачи и снятия циклического напряжения возбуждения.
Так как зоны для этих способов находятся между отключенными линиями 8 и 9, то при уменьшении в цикле подачи возбуждения скольжения ниже верхней границы зоны для вхождения в синхронизм последующего отключения возбуждения не потребуется. В случае включения на синхронизацию форсированного возбуждения кратности Кф необходимо на рис. 3.13 либо в Кф раз уменьшить ординаты границ областей устойчивости, либо в Кф раз увеличить ординаты графиков токов.
С учетом изложенного определение зон синхронизации производится в следующей последовательности [25]:
- По уравнению (3.16) при фиксированных значениях тока рассчитываются сепаратрисы. Результаты расчетов представляются в виде границ областей устойчивости на плоскости(рис. 3.13).
- Для заданного способа разгона двигателя рассчитываются при фиксированных значениях скольжения зависимости тока 1от угла Θ.
- Совмещаются на плоскости графики границ областей устойчивости и токов I с учетом кратности форсировки напряжения возбуждения, подаваемого на синхронизацию.
- Определяются из пересечения границ областей устойчивости и графиков тока I величины скольжения 5 и угла Θ. По этим значениям Θ и 3 строятся зоны синхронизации.
В процессе расчета используются параметры нагрузки, схемы замещения двигателя учитывается способ разгона и форсировка.
Естественно, приведенное определение зон синхронизации посредством решения уравнения динамики (3.16) может быть выполнено только с применением ЭВМ. Поэтому представляется целесообразным выработка на основе полученных зон практических рекомендаций по обеспечению синхронизации под нагрузкой. Как видно из рис. 3.14 при всех способах разгона до подсинхронной скорости синхронизация возможна после включения возбуждения при Θ=0° - в момент совпадения магнитных полей статора и ротора. Величина скольжения в момент включения возбуждения определяется пересечением графика асинхронного момента СД при заданном способе разгона с линией момента нагрузки и проверяется в процессе пробных пусков двигателя.
В существующих тиристорных возбудителях подача возбуждения на синхронизацию СД производится в функции скольжения, с выдержкой времени, тока статора и угла θ [18]. Наиболее эффективным считается способ подачи возбуждения в функции скольжения, который и реализован в возбудителях серий ТВУ-180 и ТВ. Но, как следует из изложенного, этот способ подачи возбуждения пригоден при самозапуске мало загруженных двигателей. Синхронизация по времени заложена в возбудителях серии ТВУ-320, а по уменьшению тока статора - в возбудителях серий ТЕ8-320 и ТВУ-320. Подача возбуждения при благоприятном значении утла Θ и по скольжению реализовала в возбудителях серии ТВ, выпускаемых производственным объединением "Уралэлектротяжмаш". Очевидно, что при самозапуске СД под нагрузкой предпочтение имеют возбудители серии ТВ.
