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

регулировании возбуждения в промышленных условиях показали, что запасы по статической устойчивости дви­ гателей во многих электроприводах недостаточны, и дви­ гатели при пиках нагрузки выпадают из синхронизма. Особенно часто это явление можно наблюдать во время работы двигателя с пониженным возбуждением, которое выбирается из условия оптимальной компенсации реак­ тивных нагрузок в распределительной сети предприятия;

2) на приводах с ударной нагрузкой система АРВ, благодаря кратковременной форсировке возбуждения в динамических режимах, обеспечивает, кроме перечис­ ленных в пункте 1 задач:

а) повышение динамической устойчивости, двигате­ ля1. В литературе [5] описана установка АРВ на приво­ де преобразовательного агрегата реверсивного прокат­ ного стана, обеспечившая кратность максимального момента, равную пяти. Введение АРВ на подобных при­ водах позволяет снизить расчетную мощность двигате­ лей, выбирая их по эквивалентному моменту без про­ верки перегрузочной способности. На работающих при­ водах введение автоматического регулирования даст возможность высвободить резерв мощности;

б) уменьшение качаний ротора, возникающих при толчке нагрузки и вызывающих электрические колеба­ ния в питающей сети, а также повышение потерь мощ­ ности в сети и двигателе и отрицательно влияющих на режимы работы приводимого механизма или генератора. Испытания показали, что, например, потери в меди ста­ тора синхронного двигателя при введении АРВ, сокра­ щаются приблизительно на 10% [1]. Соответственно по­ вышается к. п. д. двигателя;

в) на приводах с ударной знакопеременной нагруз­ кой система АРВ обеспечивает оптимальную силу тока возбуждения в генераторном режиме;

3) на приводах с пульсирующей нагрузкой (компрес­ соры) система АРВ, наряду с перечисленным, обеспечи­ вает регулирование углового положения ротора двига­ теля, что позволяет избежать совпадение фаз крирошипов нескольких механизмов, вызывающих нежелательные

1 Динамическая устойчивость синхронных двигателей значи­ тельно выше статической и без АРВ. Это объясняется взаимодейст­ вием токов, появляющихся в обмотке ротора в переходных режи­ мах, с результирующим полем в зазоре.

140

электрические колебания в питающей сети и механиче­ ские колебания станин и механизмов.

Если синхронный двигатель рассматривать как эле­ мент системы электроснабжения промышленного пред­ приятия, генерирующий или потребляющий реактивную мощность, то задачи автоматического регулирования сводятся к следующему:

1)независимо от режима нагрузки двигателя система АРВ обеспечивает максимальную или регулируемую по определенному закону выдачу в сеть реактивной мощно­ сти при допустимом тепловом режиме двигателя;

2)на двигателях, работающих в режиме ударной на­ грузки, система АРВ обеспечивает:

а) снижение колебаний напряжения в узле нагрузки,

ккоторому они подключены. Испытания промышленных установок электроприводов показали, что, вводя систе­ мы АРВ, действующие при ударной нагрузке,'колебания напряжения, вызываемые этой нагрузкой, снижаются приблизительно в 3—5 раз [1];

б) снижение колебаний частоты напряжения в пита­ ющей сети, обусловленных качанием ротора синхронно­ го двигателя большой мощности. Колебания частоты на­ пряжения приводят к переходным режимам в других электроприемниках со спокойной нагрузкой, подключен­ ных к данной подстанции;

3)если отклонения напряжения на шинах подстан­ ции, питающей синхронный двигатель, обусловленные переменной нагрузкой приемников или нестабильным напряжением системы, превышают допустимые пределы, то АРВ двигателя при наличии резерва мощности по­ следнего и дефицита реактивной энергии в сети может

сократить их в результате регулирования величины и знака выдаваемой реактивной мощности. При аварий­ ных кратковременных посадках напряжения АРВ, вклю­ чая максимальную форсировку возбуждения, стремится поддержать напряжение на заданном уровне.

В зависимости от условий работы электропривода

итребований системы электроснабжения устройство АРВ может осуществлять одновременно несколько из рассмотренных операций регулирования.

Ксказанному следует добавить, что введение АРВ на синхронных двигателях может существенно повлиять

ина конструкцию самих синхронных двигателей. Напри­ мер, двигатели с АРВ можно изготавливать с уменьшен­

141

ным воздушным зазором, который, как известно, у сов­ ременных синхронных двигателей довольно велик и вы­ бирается по условиям перегрузочной способности. Уменьшая зазор, можно существенно снизить массу, размер и стоимость двигателя и его системы возбуж­ дения.

2. ЗАКОНЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ВОЗБУЖДЕНИЯ

АРВ синхронных двигателей действующее при возму­ щении или отклонении параметров электропривода или питающей сети от заданных, может осуществляться по различным законам. Следует различать законы регули­ рования статических и динамических режимов. Автома­ тическое регулирование статических режимов обеспечи­ вает поддержание регулируемых параметров двигателя и системы питания в течение длительного времени. Ав­ томатическое регулирование динамических режимов определяет мгновенные значения параметров в пере­ ходных процессах.

Законы регулирования статических режимов незави­ симо от категории нагрузки двигателя обусловлены тре­ бованиями системы электроснабжения, а именно: потребностью реактивной мощности и колебаниями на­ пряжения в узлах нагрузки. Эти законы не включают производных от контролируемых параметров, так как от систем, реализующих их, не требуется весьма высокое быстродействие. Основные требования, которым они дол­ жны удовлетворять, это — качество регулирования (точность поддержания регулируемого параметра) и надежность работы.

От системы регулирования динамических режимов, которой снабжают приводы с ударной нагрузкой, требу­ ется также высокое быстродействие и качество дина­ мики.

Автоматическое регулирование статических режимов можно строить по одному из следующих законов.

1)постоянство cosq) двигателя;

2)постоянство вырабатываемой двигателем реактив­ ной мощности;

3)постоянство напряжения в узле нагрузки;

4)постоянство cos ф узла нагрузки.

Принципиальное отличие первых двух законов регу-

142

лиррвания от последующих состоит в том, что они пре­ дусматривают увеличение силы тока возбуждения при набросе нагрузки на двигатель, при этом повышается его устойчивость. Поэтому эти законы рекомендуются для приводов с переменной нагрузкой, пики которой превы­ шают перегрузочную способность двигателя. Если пики нагрузки не превышают Мтах двигателя, то принципи­ ально возможно применение любого из названных за­ конов.

Закон регулирования на постоянство коэффициента мощности двигателя целесообразен для приводов боль­ шой и средней мощностей с плавно изменяющейся на­ грузкой при незначительных колебаниях напряжения на шинах подстанции (не выходящих за пределы, допусти­ мые ГОСТом). В большинстве случаев целесообразно поддерживать номинальный coscp двигателя. Закон на постоянство соэсрд технически легко реализуется, обес­ печивает надежную стабильность тока возбуждения при неизменной нагрузке высокую перегрузочную способ­ ность двигателя и эффективную отдачу реактивной мощ­ ности в сеть. На металлургических заводах к группе электроприводов, на которых целесообразно применение этого закона, относятся приводы преобразовательных подстанций, насосных и компрессорных станций, венти­ ляторов, эксгаустеров, дымососов.

При отсутствии потребности в реактивной мощности в узле нагрузки соэффакт^соэфнорм, а также при нагруз­ ке двигателей на валу, превышающей номинальную, целесообразно реализовать закон регулирования на по­ стоянство соэф = 1, обеспечивающий минимум потерь в двигателе и подводящем фидере.

Закон регулирования на постоянство соэфд не целе­ сообразен для двигателей, несущих ударную нагрузку, так как с изменением активной мощности двигателя про­ порционально изменяется и реактивная, что может вызвать недопустимые колебания напряжения на шинах питающей подстанции.

Закон регулирования на постоянство отдаваемой ре­ активной мощности целесообразно использовать для при­ водов средней и большой мощности с резкопеременной и знакопеременной нагрузкой. В отличие от предыдуще­ го закон АРВ на постоянство Q, согласно выражению (П-25), обеспечивает минимальные колебания напряже­ ния на шинах подстанции ДU. В формуле (П-25) не учи­

143

тываются активные потери напряжения в линии. Это объясняется тем, что практически индуктивные сопро­ тивления трансформаторов и реакторов обеспечивают

Ап Al1

где хл и гл — индуктивное и активное сопротивления, линии.

Реализация закона Q= con st одновременно обеспечи­ вает максимум выработки двигателем реактивной мощ­ ности, ограничиваемой тепловым режимом. При недо­ статке реактивной мощности в сети этот закон обеспечи­ вает минимум потерь энергии. На металлургических заводах закон АРВ на постоянство отдачи реактивной мощности целесообразно осуществлять на приводах кле­ тей и преобразовательных агрегатов прокатных станов, ножниц, пил по металлу и других приводах с резкопере­ менной нагрузкой.

Закон регулирования возбуждения на поддержание напряжения в узле нагрузки целесообразно реализовать, когда колебания напряжения превышают допустимые пределы. Указанные системы АРВ применяют на круп­ ных двигателях с большим резервом мощности (коэф­ фициент загрузки не выше 0,7—0,8)*, несущих спокой­ ную плавно изменяющуюся нагрузку, когда суммарная синхронная мощность узла нагрузки не ниже 30—40% от всей мощности его. Стабилизация напряжения в сети достигается автоматическим регулированием потока реактивной мощности, вырабатываемой или потребляе­ мой (в режиме недовозбуждения) синхронным двигате­ лем. Поэтому такие регуляторы наиболее перспективны в системах электроснабжения со значительными реак­ тивными эквивалентными сопротивлениями сети

>0,5—0,7 Ом).

Всистемах АРВ, реализующих закон H0=const, предусматривается ограничение силы тока возбуждения снизу и сверху. Нижняя граница определяется пределом статической устойчивости двигателя при заданной на­

грузке, верхняя граница — тепловым режимом двигате­ ля. На приводах с широким диапазоном колебания на­ грузки границы силы тока возбуждения непостоянны.

* При проектировании мощных синхронных электроприводов коэффициент загрузки двигателей можно выбирать с учетом необ­ ходимого резерва мощности, исходя из требований системы электро­ снабжения.

144

В подобных приводах целесообразно применять АРВ с «плавающими» пределами регулирования силы тока возбуждения.

На металлургических заводах закон АРВ на посто­ янство напряжения реализуется для приводов преобра­

приводов с равномерной или плавной изменяющейся на­ грузкой и большим резервом мощности в тех случаях,

шинах не превышают допустимые пределы. Реализацией этого закона регулирования можно достичь стабилиза­ ции мгновенного значения нормативного cosq) на шинах подстанции, а не средневзвешенного за какой-то проме­ жуток времени. Как известно, поддержание средневзве­ шенного cos ф не обеспечивает минимальных потерь энергии в электрических сетях.

В современных системах АРВ синхронных электро­ приводов регулирование осуществляется по более слож­ ным законам. Например, на металлургических приводах с резкопеременной нагрузкой предусматривается АРВ для постоянной выработки реактивной мощности и под­ держания уровня напряжения на шинах подстанции в заданных пределах. Такие системы предусматривают либо суммирование сигналов от нескольких измеряемых параметров и преобразование суммы в управляющий сигнал (многоканальные параллельные схемы), либо ис­ пользование одного из параметров в качестве основного, а остальных — в качестве подчиненных, настраивающих основной регулятор (системы' подчиненного регулиро­ вания).

АРВ в динамических режимах вводится на приводах с резкопеременной нагрузкой для демпфирования кача­ ний ротора и повышения динамической устойчивости двигателя при набросах и сбросах нагрузки. Основное требование, которому должны удовлетворять системы АРВ в динамических режимах, — высокое быстродей­ ствие. Быстродействие достигается:

а) введением в систему регулирования сигналов, пропорциональных производной активной силы тока ста­ тора, квадрату активной (или полной) силы тока стато­

ра или приращению внутреннего угла синхронного дви­ гателя;

б) снижением постоянных времени элементов систем возбуждения привода (например, применением в каче­ стве возбудителей тиристорных преобразователей с по­ стоянной времени Гв=0,005-ь0,01 с);

в) повышением кратности форсировки по напряже­ нию в переходных режимах (кратность форсировки по силе тока принимается равной 1,8; по напряжению

2,2—2,8).

Аналитически закон регулирования возбуждения на постоянство выработки реактивной мощности двигате­ лем в приводах с резкопеременной нагрузкой записыва­ ется следующим выражением:

где — напряжение возбуждения при холостом ходе двигателя;

tp — реактивная составляющая тока статор­ ной цепи двигателя;

/р.з — заданное постоянное значение реактив­ ного тока синхронного двигателя;

1а — активная составляющая тока статорной цепи; сигнал, пропорциональный произ­ водной от активного тока статора d ijd t, вводится для демпфирования колебаний ротора;

kt, k2, k3 — коэффициенты передачи звеньев струк­

турной схемы.

В уравнении (IV-1) жесткая отрицательная обратная связь по току возбуждения {k%if) вводится для повыше­ ния быстродействия системы, так как это эквивалентно уменьшению постоянной времени Т'й .

В более совершенных системах АРВ в выражение за­ кона регулирования (IV-1) вводится сигнал, пропорцио­ нальный квадрату активной силы тока статора, для форсированного увеличения силы тока возбуждения при набросах нагрузки

При спокойной нагрузке закон АРВ на поддержание по-

146

стояйства напряжения на шинах подстанции можно за­ писать в виде

где £/с>ср— напряжение сравнения, которое может из­ меняться под действием реактивного тока (мощности) двигателя, сравниваемого с заданным его значением;

U c . c p — F [j" (ip — / р.з) d t ] ■

О

Аналогично можно записать аналитические выраже­ ния других рассмотренных выше законов регулирования возбуждения синхронных двигателей.

3. СХЕМЫ И ЭЛЕМЕНТЫ АРВ СИНХРОННЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ

Функциональные схемы систем АРВ синхронных при­ водов включают датчики параметров регулирования (активного и реактивного тока, мощности, напряжения, углов <р, 0); функциональные преобразователи (квадра­ тичные преобразователи, дифференцирующие блоки, ин­ теграторы и др.) и усилители.

Датчики тока (мощности)

В качестве датчиков тока возбуждения (ДТВ), не­ обходимых для введения обратных связей, применяют

* Вместо U в закон регулирования двигателей в приводах пре­ образовательных агрегатов реверсивных прокатных станов иногда вводится прокатная мощность Pnp= UTIi(Ur, h — напряжение и си­ ла тока генератора преобразовательного агрегата), изменения ко­ торой опережают (упреждают) изменения параметров, характери­ зующих переходный процесс синхронных двигателей.

шунты, включаемые в цепь обмотки возбуждения, й уси­ лители. В схемах со статическими возбудителями датчи­ ками тока возбуждения могут служить трансформаторы тока, включаемые в три фазы питания двигателя и на­ груженные на номинальные сопротивления. Напряже­ ние, снимаемое с сопротивлений, выпрямляется и пода­ ется на вход усилителя.

Датчиками полного тока статора (ДПТ) также слу­ жат измерительные трансформаторы тока. При необхо­ димости выпрямленное напряжение сглаживается фильт­ ром LC и RC. Однако следует иметь в виду, что постоян­ Тф = ЯС или Тф= V ОС должна

быть в 5— 15 раз меньше длитель-

гности изменения силы тока в си­ ловой цепи.

Воснову построения датчиков активной и реактивной составля­ ющих тока подложены соотноше­ ния векторов токов и напряжений

всимметричной трехфазной си­ стеме. Датчики имеют два вхо­ да (рис. 48): на один подается напряжение £/т, пропорциональ­

ное полной силе тока статора, а на другой — напряжение сравне­ ния Uс от трансформатора напря­ жения, вектор которого опреде­ ленным образом сориентирован по отношению к вектору актив­ ной или реактивной составляю­ щих полного тока. В зависимости

от начальной взаимной ориентации векторов UT и Uc датчики будут выдавать сигнал, пропорциональный ак­ тивной (ДАТ) или реактивной (ДРТ) составляющей пол­ ного тока. Выходное напряжение датчиков равно раз­ ности абсолютных значений напряжений Ui и t/2, кото­ рые в свою очередь являются векторной суммой или раз­ ностью напряжений UT n .U c, что следует из векторных диаграмм (табл. 2). При неизменном напряжении сети ДАТ и ДРТ одновременно могут служить датчиками ак­ тивной и реактивной мощности.

Схема датчика включает подстроечный фазорегуля­ тор ФР и схему сравнения в виде электрического моста, питаемого по двум диагоналям напряжением Uc и t/T.

148

В

Вариант схемы с дифференциальным выходом на две встречно включенные обмотки магнитного усилителя приведен на рис. 48. В качестве делителя напряжений принят автотрансформатор АТ с центральным выводом. При настройке фазорегулятора соответственно вектор­ ной диаграмме (табл. 2, а) датчик будет выдавать сиг­ нал, пропорциональный активной составляющей полно­ го тока.

При отсутствии активной составляющей тока мост сбалансирован, и на выходе датчика сигнал равен нулю, так как силы токов в обмотках магнитного усилителя,

149