Устройство для пуска синхронной машины

 

Изобретение относится к электротехнике . Целью изобретения является упрощение . Указанная цель достигается тем, что в устройство для пуска синхронной машины введены регулировочный трансформатор 5, размыкающие выключатели 17-19, разделительные трансформаторы 6 и 7, управляемые ключи 10 и 11, блоки 12 и 13 памяти уровней напряжений, вольтметры 14 и 16, фильтр 8 верхних частот и нуль-орган 9. С помощью фильтра 8 и нуль-органа 9 определяется положение ротора синхронной машины 1. Это положение фиксируется мгновенными напряжениями двух фаз обмоток статора, изменяется трансформатором 4 напряжения в момент равенства кулю наведенного в роторе напряжения и запоминается в блоках памяти. Момент времени синхронного включения синхронной машины наступает периодически с низкой частотой, когда мгновенные значения текущего напряжения источника питания становятся равными зафиксированным опорным измерительным напряжением в двух фазах регулировочного трансформатора 5, что определяется по вольтметру 16. Когда его показание равно О, оператор включает выключатель 2. В таком устройстве отпадает необходимость в установке на вал синхронной машины вспомогательного асинхронного двигателя . 3 ил. § (Л

С(Ж)З СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (5ц 4 Н 02 P 1 50

ОПИСАНИЕ ИЗОбРЕТЕНИЯ

К А ВТОРСНОМ,Ф СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 4080898/24-07 (22) 02.07.86 (46) 07.06.88. Бюл. № 21 (71) Ереванский политехнический институт им,, К. Маркса и Грузинский научно-исследовательский институт энергетики и гидротехнических сооружений (72) Г. Н. Тер-Газарян и Ж. Д. Давидян (53) 62-83:621.316.717 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР № 921006, кл. Н 02 Р 1/50, 1982.

Авторское свидетельство СССР

¹ 1119147, кл. Н 02 P 1/50, 1984. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПУСКА СИНХРОННОЙ МАШИНЫ (57) Изобретение относится к электротехнике. Целью изобретения является упрощение. Указанная цель достигается тем, что в устройство для пуска синхронной машины введены регулировочный трансформатор 5, размыкающие выключатели 17 — 19, разделительные трансформаторы 6 и 7, управляемые ключи 10 и 11, блоки 12 и 13 памяти

„„SU„„1401546 А 1 уровней напряжений, вольтметры 14 и 16, фильтр 8 верхних частот н нуль-орган 9. С помощью фильтра 8 и нуль-органа 9 определяется положение ротора синхронной машины l. Это положение фиксируется мгновенными напряжениями двух фаз обмоток статора, изменяется трансформатором 4 напряжения в момент равенства нулю наведенного в роторе напряжения и запоминается в блоках памяти. Момент времени синхронного включения синхронной машины наступает периодически с низкой частотой, когда мгновенные значения текущего напряжения источника питания становятся равными зафиксированным опорным измерительным напряжением в двух фазах регулйровочного трансформатора 5, что определяется по вольтметру 16, Когда его показание равно О, оператор включает выключатель

2. В таком устройстве отпадает необходимость в установке на вал синхронной машины вспомогательного асинхронного двигателя. 3 ил.

1401546

1

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для пуска мощных синхронных машин от источников переменного тока регулируемой и нерегулируемой частоты.

Целью изобретения является упрощение.

На фиг. l приведена электрическая структурная схема устройства для пуска синхронной машины; на фиг. 2 — временная диаграмма, поясняющая определение положений ротора и моменты отключения; на фиг. 3— временные диаграммы, поясняющие работу устройства.

Устройство для пуска синхронной машины 1 содержит замыкающие контакты 2, возбудитель 3 постоянного тока, трехфазный трансформатор 4 напряжения, регулировочный трансформатор 5, два однофазных разделительных трансформатора 6 и 7, фильтр 8 верхних частот, нуль-орган 9, два бесконтактных управляемых ключа 10, 11, два блока 12 и 13 памяти уровня напряжений, три вольтметра 14 — 16 и три размыкающих контакта 17 — 19.

Обмотка якоря через выключатель 2 подключена к источнику 20 переменного тока регулируемой частоты, к которому через третий выключатель 17 подключена первичная обмотка трансформатора 4 напряжения.

Вход регулировочного трансформатора 5 соединен с трехфазным источником переменного тока нерегулируемой частоты через первый размыкающий контакт 18 с обмоткой якоря синхронной машины 1. Возбудитель 3 постоянного тока подключен к обмотке индуктора синхронной машины. Вторая и третья фазы трансформатора 5 напряжения соединены соответственно с первичными обмотками разделительных трансформаторов 7 и 6, вторичные обмотки которых через бесконтактные управляемые ключи 10 и 11 подключены к входам блоков 12 и 13 памяти уровня напряжения соответственно. Параллельно вторичной обмотке первого разделительного трансформатора 6 подключен второй вольтметр 14, Первый выходной вывод первого блока 12 памяти соединен с началом второй фазы вторичной обмотки трансформатора 4 напряжения, конец которой соединен с вторым выходным выводом второго блока 13 памяти, первым выходным выводом через первый вольтметр 16, связанного с началом третьей фазы вторичной обмотки трансформатора 4 напряжения, конец которой соединен с вторым выходным выводом блока 12 памяти, Параллельно третьей фазе вторичной обмотки трансформатора 4 напряжения подключен третий вольтметр 15. Управляющие входы ключей 10 и 11 подключены к выходу нуль-органа 9, входом соединенного с выходом фильтра 8 верхних частот, вход фильтра через второй выключатель 19 соединен с обмоткой индуктора синхронной машины 1.

2

Устройство для пуска работает следующим образом.

Дл я выполнения частотного пуска обмотка якоря возбужденной синхронной машины должна быть включена на трехфазное напряжение источника питания переменного тока. Для плавного трогания с места частота этого напряжения должна быть небольшой величины — порядка долей или единиц герц, величина этого напряжения должна соответствовать частоте так, чтобы был обеспечен необходимый пусковой момент без.насыщения магнитной цепи и без пе. регрузки машины по току. Напряжение с такими начальными параметрами подготавливается и присутствует на шинах источника питания (на входе отключенного выключателя 2). Таким образом, в случае частотного пуска от другого синхронного генератора это означает, что ведущий генератор имеет те небольшие величины частоты вращения и напряжения, которые соответствуют условию успешного пуска. При этом должна быть выполнена точная синхронизация невключенной синхронной машины с источником питания.

Для определения углового положения оси обмотки неподвижного ротора и последующей синхронизации к обмотке якоря (статора) синхронной машины прикладывается трехфазная система измерительных напряжений Vs ь V t, Uc (фиг. 2а). В качестве измерительных напряжений используется трехфазная система напряжений промышленной сети частотой 50 Гц. Величина измерительных напряжений существенно меньше номинальных напряжений машины, но должна быть достаточной для работы измерительных цепей. Измерительные напряжения прикладываются к обмотке статора через выключатель 18 с размыкающими контактами. Указанная трехфазная система измерительного напряжения создает в неподвижной синхронной машине вращающееся поле частоты измерительного напряжения.

Это вращающееся поле статора наводит в обмотке неподвижного ротора переменное напряжение Ц, той же частоты (фиг. 2б), фаза которого определяется угловым положением ротора. Как это следует из диаграммы (фиг. 2б) наведенное в обмотке ротора напряжение Up отстает от напряжения U, приложенного к обмотке фазы А статора, на угол р, выраженный в электрических градусах. Угол р представляет собой пространственный угол, на который ось ротора сдвинута относительно оси фазы А обмотки статора в сторону вращения вектора поля. На диаграмме фиг. 2 изображен случай, когда ось ротора отстает на 45 .

Поскольку амплитуда измерительного напряжения несоизмеримо меньше рабочего напряжения машины, то электромагнитный

1401546 ным напряжение к обмотке статора надо подключить в момент времени t6. Запаздывание включения относительно фазы л напряжения UA (момента времени ts и в этом случае составляет Р электрических градусов, однако время 4 — 1г, необходимое для поворота вектора на этот угол уже меньше, чем в предыдущем случае более низкой частоты (фиг. 2в). Следовательно, момент времени синхронного включения зависит от частоты напряжения источника питания.

В устройстве этот момент включения фиксируется следующим образом.

Как видно из диаграммы на фиг. 2в, r момент синхронного включения как в случае

3 момент, создаваемый измерительным напряжением, пренебрежимо мал и не приводит к механическим перемещениям ротора, уровень наводимого в роторе напряжения невелик и не представляет опасности для изоляции обмотки ротора.

Ток, протекающий в фазе А обмотки статора 1л и, соответственно, создаваемый им магнитный поток, отстают от напряжения

Uz, приложенного к этой фазе обмотки, на 90 (фиг. 2в, г) . В момент подклю- 10 чения источника питания к машине вектор магнитного поля статора сразу занимает определенное угловое положение в пространстве. Это положение определяется мгновенными значениями напряжений, при- 1 ложенных к соответствующим фазам обмотки статора в момент включения. Для точной синхронизации необходимо, чтобы в момент включения угловое положение вектора магнитного потока статора совпало с магнитной осью неподвижного ротора. Далее пос- 20 ле синхронизации вектора магнитных потоков статора и ротора «зацепляются» и вращаются синхронно с угловой скоростью, соответствующей частоте приложенного напряжения. Механически это обеспечивается вращением ротора с синхронной скоростью.

Если пространственная магнитная ось неподвижного ротора совпадала бы с осью фазы А статора, то напряжение надо было бы подключить в момент времени to (фиг. 2в), когда ток (поток фазы А имеет максимальное значение. Этот момент времени соответствует л (также Зл, 5л и т.д. нечетные д) электрических градусов, измеренных от начала (нулевой фазы) напряжения 11л, Если пространственная магнитная ось ротора сдвинута на пространственный угол р (в сторону вращения вектора) относительно оси об мотки фазы А статора, то напряжение к обмотке статора надо подключить позже — в мо. мент времени t4 (фиг. 2в). Это запаздывание to — t4 соответствует электрическому углу р и представляет собой промежуток 40 времени, который необходим для того, чтобы вектор магнитного потока статора повернулся бы на пространственный угол и совпал с магнитной осью ротора.

Если частота источника питания выше (фиг. 2г), то в соответствии с изложен4 низкой частоты t4 (фиг. 2в), так и в случае более высокой частоты 16 (фиг. 2 г) определяется мгновенным значением напряжения

UAo фазы А, соответствующим углу л+1 своей частоты. Следовательно, включение должно быть выполнено в тот момент времени, когда мгновенное значение напряжений в данной фазе достигает величины Uëo, соответствующей аргументу времени л-Ч-р независимо от частоты, где P — пространственный угол сдвига магнитной оси обмотки ротора относительно оси обмотки статора в положительном направлении. Это опорное напряжение U>o может быть определено из измерительного напряжения, приложенного к обмотке статора. Как следует из диаграммы (фиг. 2а, б, За, б) мгновенное напряжение фазы А имеет величину

U o в момент времени t, когда напряжение U, наведенное в обмотке ротора, проходит через нуль независимо от частоты измерительного напряжения. Это обстоятельство и определяет способ определения опорного напряжения U o. Заключается он в том, что в момент времени ti, когда переменное напряжение Ьр, наведенное в обмотке ротора, проходит через нуль, фиксируется и запоминается в качестве опорного напряжения U,мгновенное значение измерительного напряжения, приложенного к соответствующей фазе обмотки статора. Причем величина опорного напряжения (например, U o) не зависит ни от частоты измерительного напряжения, ни от частоты источника питания. Амплитуда измерительного напряжения и напряжения источника питания должны быть согласованы.

Однако для однозначного фиксирования углового положения ротора необходим контроль по мгновенным напряжениям не менее двух фаз. Как следует из временных диаграмм (фиг. 2, в; Зв) мгновенное напряжение фазы А достигает величины Uл<, не только при аргументе времени т+ (нечетных л+ ), но и при углах 0 — P, 2ч — 13 и т.д. (четных л — I)) . Для однозначного фиксирования углового положения ротора р и соответственно момента включения необходимо одновременное выполнение следующих условий: напряжение в фазе А должно иметь мгновенную величину Uao, напряжение в фазе  — Uao, напряжение в фазе С вЂ” Uco (фиг. 2а, б; фиг. За, б).

Для однозначного определения угла достаточен контроль по двум фазам, например АС (фиг. Зв); включение возможно в моменты времени t-, tio, когда напряжения фаз А и С одновременно равны опорным напряжениям U o и UAo соответственно (ось магнитного потока источника питания совпадает с магнитной осью ротора); включение невозможно в моменты времени 4, tg, когда напряжение фазы А равно опорному напряжению U o, а напряжение фазы С не равно опорному Uco (ось магнитного по1401546

45

55

5 тока источника питания направлена противоположно магнитной оси ротора).

Согласование измерительного напряжения с напряжением источника питания выполняется посредством трансформатора 5 следующим образом.

Регулировочный трансформатор 5 подсоединен к шинам измерительного напряжения сети 50 Гц. Трехфазный трансформатор 5 напряжения и однофазные разделительные трансформаторы 6 и 7 предназначены для гальванической развязки низковольтных цепей управления от относительно высоких напряжений источника питания и сети и для понижения этих напряжений до необходимого уровня. Разделительные трансформаторы 6 и 7 соединены с выходом регулировочного трансформатора 5. Вольтметр 14, подключенный к вторичной обмотке разделительного трансформатора одной из фаз, измеряет величину измерительного напряжения (ЬА, или Vc ), приведенную к вторичной стороне. Трансформатор 4 соединен с источником питания через выключатель 17 с нормально закрытыми контактами. Перед пуском подготавливается напряжение источника питания— на шинах источника питания на входах выключателей 2 и 17 устанавливается напряжение низкой частоты и соответственно небольшой амплитуды. Вольтметр 15, подключенный к вторичной обмотке одной из фаз трансформатора 4 напряжения, измеряет величину подготовленного напряжения источника питания (UA или Uc ), приведенную к вторичной стороне. Непосредственно перед синхронизацией и включением на вторичной стороне разделительного трансформатора 6 изменением положения движка регулировочного трансформатора 5 устанавливается относительная величина измерительного напряжения, равная относительному напряжению источника питания (UAi=UA или Uci=Uc ).

Указанные напряжения контролируются вольтметрами 14 и 15. Таким образом, измерительные напряжения сети UA>, Uci u выделенные далее из них опорные напряжения UAp, Ucp (фиг. За) на вторичной стороне соответствуют напряжениям источника питания UA, Uc (фиг. Зв) непосредственно перед синхронизацией и включением машины.

Опорные напряжения фиксируются следующим образом.

Перед пуском синхронная машина возбуждена. К обмотке ротора приложено постоянное напряжение возбуждения от отдельного возбудителя 3 и в обмотке протекает постоянный ток возбуждения. В обмотке ротора на постоянное напряжение возбуждения наложено переменное напряжение 11„наведенное в обмотке измерительным напряжением статора. Переменное напряжение Up выделяется из обмотки ротора по цепи: выключатель 19 с размыкающими контактами — фильтр 8 высокой час6 таты. Фильтр высокой частоты пропускает голько переменную составляющую напряжения, которое наведено в роторе, и не пропускает постоянное напряжение возбуждения в измерительную схему. Далее переменное напряжение Up подается на нульорган 9. В нуль-органе 9 в моменты времени tl, (2 когда напряжение Up переходит от положительных значений к отрицательным и проходит через нуль, выраба10 тывается узкий считывающий импульс. Этот считывающий импульс с выхода нуль-органа подается на управляющие входы бесконтактных ключей 10 и 11 и открывает эти ключи на короткий промежуток времени, равный длительности считывающего импульса. Посредством открывшихся ключей

10 и 11 со вторичных обмоток разделигельных трансформаторов 6 и 7 считываются мгновенные значения измерительных напряжений двух фаз, которые имеются в

20 моменты времени t,; 1,,..., Ug, и Ugp) и, представляющие собой опорные напряжения.

Эти опорные напряжения запоминаются в запоминающих устройствах 12 и 13 уровня соответственно.

Момент точной синхронизации и вклю25 чения определяется посредством устроиства следующим образом.

Соединения концов вторичных обмоток трансформатора 4 напряжения и выходов блоков 12 и 13 памяти уровня напряЗ0 жения выполнены таким образом (фиг. 1), что между началом вторичной обмотки фазы А трансформатора напряжения 4 и выводом «конец» запоминающего устройства 13 уровня напряжения фазы С, к которым присоединен вольтметр 16, формируется суммарное напряжение

Uо = ДUA+ДUС = (UА — UAp) + (Uс — Ucp), где Ua — суммарное напряжение на вольтметре 16;

UA — приведенное напряжение фазы А источника питания, которое имеется на вторичной обмотке фазы А трансформатора 4 напряжения (на фиг. 1 фаза А трансформатора 4 изображейа справа и к ней подсоединен вольтметр 15);

Uc — приведенное напряжение фазы С источника питания, которое имеется на вторичной обмотке фазы С трансформатора изображена в середине);

UAp — приведенное опорное измерительное напряжение фазы А, которое зафиксировано в запоминающем устройстве 12 уровня напряжения фазы А;

Ucp — приведенное опорное измеритель" ное напряжение фазы С, которое зафиксировано в запоминающем устройстве 13 уровня напряжения фазы С;

1401546

7 ,Я3л = UA — UAp, AUc = Uc — Ucp — разности приведенных напряжений источника пи тания и опорных напряжений соответственно фаз А и С (на фиг. 1 места наличия этих разностных напряжений ЛЬл и AUc указаны стрелками, выводы «начала» элементов помечены точками).

Как следует из фиг. Зг разностные напряжения М1л и ЛUc периодически изменяются во времени с частотой напряжения источника питания (синусоидальная функция с постоянной составляющей). В момент времени, когда мгновенное значение напряжения источника питания равно соответствующему опорному напряжению, разностное напряжение равно нулю (пересекает ось времени): разностное напряжение AUA = О в моменты времени 17, tg, t.Io,..., разностное напряжение AUc = О в моменты времени

17, t9, tIO ".

Точная синхронизация и соответственно допустимый момент включения наступают тогда, когда мгновенное значение напряжения источника питания равно соответствующему опорному напряжению одновременно в двух фазах, т.е. когда одновременно выполняются условия ЛБл = О, М)с = О. Это имеет место в моменты времени t7, tIO,... Суммарное напряжение Up =

= ЛБл + AUc также периодически изменяется во времени с частотой напряжения источника питания, достигая нулевого значения в моменты времени t7, tIO,..., когда имеет место точная синхронизация (фиг. Зд)

QUA=0; QUc = О; Uo = AUA + QUc = О.

Таким образом, в устройстве момент точной синхронизации, следовательно, момент включения может быть определен по величине суммарного рнапряжения Vq no вольтметру 16. Момент времени, когда показание вольтметра 16 станет равным нулю, является моментом точной синхронизации.

В этот момент времени следует вручную включить выключатель 2, подключив обмотку статора синхронной машины к источнику питания, начав тем самым синхронный пуск машины, и одновременно отключить выключатели 17 — 19, отсоединив схему синхро.низации от обмоток машины.

Выполнение этой операции вручную вполне возможно, так как частота напряжения источника питания, следовательно периодичность суммарного напряжения Uo непосредственно перед пуском весьма мала— порядка долей или единиц герц и допустимые моменты включения t7, tIo,", наступают также с этой частотой. Эта периодичность невелика и вполне достаточна для того, чтобы оператор успел произвести включение.

В принципе возможно устройство выполнить полуавтоматическим, добавив его элементом, формирующим сигнал для коммутации выключателей 2, 17 — 19 в моменты времени, когда суммарное напряжение

Ue- достигается нуля.

Б случае, если время включения выключателя 2 в.такой степени велико, что может привести к уходу от момента времени точной синхронизации, то тогда возможно фиксирование момента включения с определенным опережением. Это достигается предварительным изменением уровней опорных напряжений, снимаемых с регулировочного трансформатора 5, посредством изменения положения регулировочных органов фаз. Так, например, если уровень опорного напряжения UII. установить несколько выше, а уровень опорного напряжения Uco соответственно несколько ниже, чем это показано на фиг. Зв, то момент включения наступает несколько раньше, чем t7 (соответственно раньше и другие допустимые моменты включения и т.д.).

Переходный процесс, возникающий в обмотке статора при включении, затухает гораздо быстрее, чем период питающего напряжения, принимая во внимание также, что включение производится при весьма малых частотах порядка долей или нескольких герц. Поэтому временем переходного процесса при включении можно пренебречь и

его не учитывать.

В качестве трансформатора 4, например, могут быть использованы однофазные измерительные трансформаторы напряжения, обычно соединенные с шинами высокого напряжения; в качестве блоков 12 и

13 памяти уровня напряжения — конденсаторы и т.д.

Реализация устройства дает возможность выполнить синхронный частотный пуск синхронной машины с точной синхронизацией осей магнитных потоков статора и ротора непосредственно в момент включения.

Устройство может быть использовано при пуске как от синхронного генератора, так и от тиристорного преобразователя частоты. В последнем случае необходимо, чтобы сначала был запущен источник питания — тиристорный преобразователь частоты, а затем посредством предлагаемого устройства выполнено подключение источника питания к обмотке статора машины.

В результате использования устройства отпадает необходимость переработки запускаемых синхронных машин для установки на их валу вспомогательного асинхронного двигателя для обеспечения синхронизации синхронной машины с сетью. В ряде случаев такая переработка невозможна, например, в случае мощных генераторов электростанций. В связи с этим снижается стоимость оборудования.

Кроме того, при запуске синхронной машины исключается возможность обратного хода ротора в момент пуска, тем самым исключаются возможные ошибки, связанные с включением машины, при обратном чередо1401546

9 вании фаз, в том числе при пробных включениях; однозначно визуально определяется направление вращения ротора; исключаются перенапряжения и повреждения изоляции обмотки ротора, вызванные толчком момента и «броском» ротора в момент включения, тем самым повышается надежность машины; обеспечивается плавное вхождение в синхронизм и плавное трогание с места при питании как от тиристорных преобразователей частоты, так и непосредственно от синх- 10 ронных генераторов.

Формула изобретения

Устройство для пуска синхронной машины, содержащее возбудитель постоя и ного тока для подключения к обмотке индуктора синхронной машины, трехфазный трансформатор напряжения, первичная обмотка которого связана с источником переменного тока регулируемой частоты, замыкающие контакты для подключения обмотки 20 якоря синхронной машины к указанному источнику переменного тока, отличающееся тем, что, с целью упрощения, введены фильтр верхних частот, нуль-орган, три вольтметра, три размыкающих контакта, регулировочный трансформатор, вход которого соединен с источником переменного тока нерегулируемой частоты и через первый размыкающий контакт с обмоткой якоря синхронной машины, два однофазных разделительных трансформатора, два управляемых клюl0 ча, два блока памяти уровня напряжения, вход каждого из которых через соответствующий управляемый ключ связан с вторичной обмоткой одного из разделительных трансформаторов, первичная обмотка каждого разделительного трансформатора подключена к соответствующей фазе регулировочного .трансформатора, первый выходной вывод первого блока памяти уровня напряжения соединен с началом второй фазы вторичной обмотки трансформатора напряжения, конец которой соединен с вторым выходным выводом второго блока памяти уровня напряжения, первым выходным выводом соединенного через первый вольтметр с началом третьей фазы вторичной обмотки трансформатора напряжения, конец которой соединен с вторым выходным выводом первого упомянутого блока памяти, управляющие входы ключей подключены к выходу нуль-органа, вход которого соединен с выходом фильтра верхних частот, вход которого предназначен для подключения через второй размыкающий выключатель к обмотке индуктора синхронной машины, второй вольтметр включен параллельно вторичной обмотке первого разделительного трансформатора, третий вольтметр — параллельно третьей фазе трансформатора напряжения, указанная связь первичной обмотки которого с источником переменного тока регулируемой частоты организована через третий размыкающий выключатель.

1401546

Составитель А. Головенко

Редактор Г. Волкова Техред И. Верес Корректор О. Кравцова

Заказ 2538/52 Тираж 583 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, >K — 35, Раушская наб., д. 4/5

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