книги из ГПНТБ / Вершинин П.П. Применение синхронных электроприводов в металлургии

Глава III

СХЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ СИНХРОННЫМИ ЭЛЕКТРОПРИВОДАМИ

СЭЛЕКТРОМАШИННЫМ

ИТИРИСТОРНЫМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ

1. СХЕМЫ ПОДКЛЮЧЕНИЯ СТАТОРНЫХ ЦЕПЕЙ

Схемы управления синхронными приводами различают­ ся в основном способом подключения статорных цепей методом возбуждения и типом возбудителя, способом регулирования возбуждения.

Наиболее простой и надежной, требующей минималь­ ного числа аппаратов схемой подключения статорных цепей синхронных двигателей, является прямой пуск, когда двигатель включается на полное напряжение се­ ти (рис. 25, а). Возможность использования прямого пу­ ска определяется мощностью системы электроснабже­ ния и тепловым или механическим воздействием на дви­ гатель при пуске.

Синхронные двигатели, применяемые в металлургии, в большинстве случаев рассчитаны на пуск от полного напряжения сети, а мощность питающей сети при ис­ пользовании глубоких вводов позволяет осуществлять такой пуск. Так, тихоходные синхронные двигатели типа СДК и ДС мощностью до 6300 кВт, двигатели МС-320 мощностью до 6550 кВт, быстроходные двигатели типа ДСП приводов эксгаустеров и ряд других включаются при пуске на полное напряжение сети.

Если по условиям мощности питающей сети или кон­ струкции двигателя прямой пуск не приемлем, то ис­ пользуется пуск при пониженном напряжении реактор­ ный или автотрансформаторный. При реакторном пуске (рис. 25, б) включением линейного выключателя Л дви­ гатель пускается через добавочное сопротивление реак­ тора, ограничивающее пусковой ток, и разгоняется до подсинхронной скорости, после чего включается ускоря­ ющий выключатель У, закорачивающий реактор.

По мере разгона двигателя снижается величина пу­ скового тока, соответственно растет напряжение на зажимах обмотки статора и перед включением выключа­

91

теля У оно не намного отличается от полного напряже­ ния. Поэтому шунтирование реактора не вызывает за­ метного броска тока в цепи статора и колебания напря­ жения в сети. Управление моментом включения У осуществляется или в функции тока статора (релеРПТ, см. рис. 33), или в функции скорости.

Рис. 25. Схемы подключения статорной цепи синхронного двигателя:

а — прямой пуск; 6 — реакторный пуск; в — автотрансформаторный пуск; г — схема блока трансформатор — двигатель

Реактор, ограничивая пусковой ток, должен исклю­ чить снижение напряжения на шинах сверх допустимого, а также обеспечить некоторое минимальное напряжение на зажимах двигателя, необходимое для его разгона до подсинхронной скорости. При этом момент, развиваемый двигателем, должен не менее чем на 10% превышать мо­ мент нагрузки. При невыполнении этих условий, приме­ няется схема автотрансформаторного пуска (рис. 25, в).

В этом случае в исходном положении отключены вы­ ключатели Л и У, а нулевой выключатель Я, соединяю­ щий обмотки автотрансформатора в звезду, включен. Пуск осуществляется в три этапа. Выключателем Л дви­ гатель включается на пониженное напряжение, снимае­ мое с автотрансформатора АТ, и разгоняется до скоро-, сти, близкой к синхронной. На втором этапе отключает­ ся выключатель Я, и в дальнейшем пуск происходит как реакторный. Роль добавочного сопротивления выполня­ ет часть витков обмотки автотрансформатора, включен­ ная последовательно с синхронным двигателем.

Импульс на включение выключателя У обычно дает­ ся через размыкающий блок-контакт выключателя Я, поэтому практически продолжительность второго этапа

92

очень мала и определяется собственным временем вклю­ чения У. На третьем этапе при достаточно малом сколь­

от подстанций глубокого ввода (рис. 26).

Для крупных быстроходных двигателей, например серии СТМ, СДН, а также прокатных синхронных дви­ гателей индивидуального-исполнения способ пуска опре­ деляется с учетом момента сопротивления и маховых

2. СИСТЕМЫ ВОЗБУЖДЕНИЯ СИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ С ЭЛЕКТРОМАШИННЫМИ ВОЗБУДИТЕЛЯМИ

По способу подключения роторных цепей при пуске различают системы:

1) с обмоткой возбуждения, замкнутой на якорь воз будителя (с глухоподключенным возбудителем);

93

2)с обмоткой возбуждения, замкнутой на якорь воз­ будителя через добавочное сопротивление;

3)с обмоткой возбуждения, замкнутой на разрядное

сопротивление.

По типу возбудителя:

1) с электромашинными возбудителями постоянного тока;

т рф

V .

[ /Гт рансформат ору

напряж ении

Рис. 27. Прямой пуск синхронного двигателя с обмоткой возбуж­ дения, замкнутой на якорь возбудителя:

СД — синхронный двигатель; В — возбудитель; О В В ~~-обмотка возбуждения возбудителя; ДП ■—дополнительные полюса; Р В — регулировочный реостат; Л — выключатель; Р Ф >—■реле форсиров­ ки; К Ф — контактор форсировки

2)с электромашинными возбудителями переменного тока и вращающимися полупроводниковыми выпрями­ телями (бесщеточные системы);

3)с питанием обмотки возбуждения от статических преобразователей: ионных, магнитополупроводниковых (неуправляемый выпрямитель и силовой магнитный уси­ литель), тиристорных.

Наиболее распространена схема с глухоподключенным возбудителем, которая в сочетании с прямым пус­ ком практически является основной для синхронных приводов малой и средней мощности с неизменной и плавноизменяющейся нагрузкой (рис. 27).

В схемах с глухоподключенным возбудителем напря­ жение возбуждения должно нарастать в самом конце пу­

94

ска и достигать необходимого значения при скорости, равной 0,9—0,95 синхронной. Преждевременное нара­ стание напряжения приводит к значительным пульсаци­ ям пусковых токов и снижению входного момента, что усложняет процесс втягивания двигателя в синхронизм. В то же время и слишком медленное нарастание напря­ жения возбуждения нежелательно, так как при этом за­ тягивается процесс синхронизации, что может стать при­ чиной перегрева пусковой обмотки.

При разгрне интенсивность нарастания напряжения, возбудителя с самовозбуждением определяется вольтамперной характеристикой его цепи возбуждения' и характеристикой холостого хода (рис. 28). Самовозбуждение становится возможным, если угол а наклона на­ чальной части характеристики холостого хода к оси абсцисс больше угла р наклона вольтамперной характеристики цепи возбуждения к той же оси.

Так как во время пуска синхронного двигателя при изменении скорости угол а также1меняется и принимает последовательно зна­ чение си, иг, •.., otm, процесс самовозбуждения может начаться толь­ ко с некоторой критической скорости яКр, соответствующей а кр= р .

Очевидно, изменяя величину сопротивления в цепи обмотки воз­ буждения, т. е. меняя угол р ‘наклона вольтамперной характеристи­ ки, можно добиться, чтобы процесс самовозбуждения начинался при скорости, близкой к синхронной. Как показывает практика эксплуа­ тации, для выполнения этого условия критическая скорость должна находиться в пределах 0,7—0,75 синхронной.

он в значительной мере снижает входной момент. По­ этому глухое подключение возбудителя используется

95

Нрй сравнительно легких условиях пуска, когда мо­ мент сопротивления механизма при пуске не превышает 40—50% номинального момента двигателя. Кроме того, область применения схем с глухопОдключенным возбу­ дителем ограничивается скоростью гашения поля.

Явление одноосного эффекта (включения), наблюдаемое при асинхронном пуске двигателей с глухоподключенным возбудителем рассмотрим, пользуясь механической характеристикой двигателя (рис. 29) [32]. При включении синхронного двигателя в сеть в замк­ нутой на возбудитель обмотке возбуждения его индуктируется э. д. с. и протекает переменный ток, который создает пульсирующее магнит­ ное поле с частотой пульсации f2— sfu где s — скольжение. Очевид­ но, что поле прямой последовательности вращается всегда в направ­ лении вращения, а поле обратной последовательности вращается против направления вращения ротора со скоростью п0ъ — пя (1—2s).

При s= 0 ,5 величина п 06 = 0, т. е. поле, создаваемое током об­

мотки ротора, неподвижно относительно статора.

till

При п = 0-Ь -^-величина п 0ъ = —пн-Ь0, т. е. поле ротора враща­

ется относительно статора в сторону, противоположную направлению вращения ротора. Обратное поле, пересекая обмотку статора, ин­ дуктирует в ней э. д. с. и создает дополнительный ток, который, вступая во взаимодействие с обратным полем ротора, создает до­ полнительный положительный асинхронный момент Мл.

поле вращается относительно статора в направлении вращения ротора и основного вращающегося поля, но с меньшей скоростью. Ток статора, создаваемый этим полем, взаимодействуя с полем, создает дополнительный отрицательный момент. Таким образом, в результате одноосного эффекта'кривая момента синхронного двигателя при асинхронном пуске M v = f(s ) имеет провал в области скольжения s = 04-0,5.

Для уменьшения одноосного эффекта в цепь обмотки ротора, замкнутой на возбудитель, вводится добавочное сопротивление СД, шун­ тируемое в конце пуска (рис. 30), или обмотка возбуждения замыкается на разрядное сопротивле­ ние при помощи контак­ тора М с защелкой, кото­ рый на подсинхронной скорости переключает об­ мотку ротора на возбуди­

тель (см. рис. 33). Вводимые сопротивле­

ния как в первом, так и

96

во втором случае практически исключают провалы в кривой момента и улучшают пусковые характеристики. Величина этого сопротивления обычно в 8—10 раз пре­ вышает сопротивление обмотки возбуждения синхрон­ ного двигателя.

Рис. 30. Схема управления синхронного двигателя ДСП 140/74-4:

/ — защита от замыканий на землю; 2 — от выпрямительного устройства; 3 —>в цепь трансформатора тока; 4 — в цепь трансформатора напряжения

На рис. 30 приведена схема управления синхронным двигателем типа ДСП 140/74—4, 2000 кВт/6 кВ привода аглоэксгаустера.

Пуск двигателя осуществляется ключом КУ■ При этом втягивается контактор КП, подающий напряжение на включающий электромагнит ЭВ выключателя Л. На двигатель подается напряжение, и он начинает разго­ няться, одновременно замыкая контакт Л в цепи кон­ тактора возбуждения. В начале разгона срабатывает пусковое токовое реле РПТ (РТ 40/10), которое своим замыкающим контактом включает реле времени 1РВ

и 2РВ.

При скорости, близкой к синхронной, сила тока ста­ тора снижается, реле РПТ отпускает свой замыкающий контакт, что приводит к отключению реле 1РВ и пере­ ключению с выдержкой времени контактов 1РВ и 2РВ. Вследствие этого переключения на катушку контактора М подается кратковременный импульс напряжения, кон­ тактор М втягивается и в дальнейшем удерживается за­ щелкой. Контактор М закорачивает добавочное сопро­ тивление в цепи возбуждения, и двигатель втягивается в синхронизм.

После втягивания двигателя в синхронизм для иск­ лючения ложного срабатывания реле РПТ при набросах нагрузки оно шунтируется замыкающим контактом кон­ тактора М.

В схеме предусмотрен узел форсировки возбуждения (реле РФ и контактор КФ)-

Быстроходные синхронные двигатели ДСП, МС, ДС и др. имеют сравнительно низкое напряжение воз­ буждения (до 25—40 В). Для возбудителей с самовоз­ буждением и таким выходным напряжением при нали­ чии двух щеточных контактов (коллектор ^возбудителя и контактные кольца двигателя) работа в сильно запы­ ленных помещениях приводит к нестабильности напря­ жения и колебаниям силы тока возбуждения. В некото­ рых случаях кратковременное нарушение щеточного контакта сопровождается потерей возбуждения, причем нередко с последующим отключением синхронного дви­ гателя. Поэтому, например, в условиях аглофабрик ра­ бота синхронных двигателей более надежна при исполь­ зовании электромашинных возбудителей с независимым возбуждением или питанием обмотки ротора двигателя от тиристорного преобразователя [11].

На рис. 31 представлена "измененная схема управле­ ния двигателя ДСП 140/74—4, 2000 кВт, Обмотка воз­ буждения возбудителя питается от трехфазного силово­ го магнитного усилителя (МУ) через кремниевый неуп­ равляемый выпрямитель В4, собранный по трехфазной мостовой схеме на диодах ВК-25. Внутренняя положи­ тельная обратная связь магнитного усилителя осуществ­ ляется включением в его рабочие обмотки диодов.

МУ получает питание от понижающего трансформа­ тора ТР1 380/127 В и имеет четыре обмотки управления. Обмотки ОУх и ОУ2, намагничивающие силы которых направлены встречно, включены на выход измерительно-

98

го устройства автоматического регулятора возбуждения АРВ и обеспечивают изменение силы тока возбуждения v синхронного двигателя по заданному закону. Задающая обмотка 0 3 питается от понижающего трансформатора ТР1 через выпрямитель В3, собранный из кремниевых

ДСП 140/74-4 от магнитного усилителя

диодов по трехфазной мостовой схеме. МУ охвачен гиб­ кой отрицательной обратной связью RC, сигнал с кото­ рой подается на стабилизирующую обмотку ОС. Осталь­ ные узлы данной схемы идентичны узлам схемы управ­ ления, при использовании возбудителя с самовозбужде­ нием.

При пуске от пониженного напряжения в зависимо­ сти от величины момента нагрузки различают «легкий» и «тяжелый» пуск. Легкий пуск характеризуется тем, что сначала подается возбуждение в обмотку ротора, а за-