Регулятор возбуждения синхронного двигателя

 

Использование: В компрессорах, насосах и других установках в качестве электропривода. Сущность: в регуляторе возбуждения синхронного двигателя к обмотке возбуждения 5 подключены две пусковые цепи из последовательно соединенных пусковых диодов 16,17 и резистора 11 и пусковых тиристоров 13,14 и резистора 12 соответственно. Указанные резисторы соединены общим зажимом через защитный тиристор 15 с вторичной обмоткой 24 трансформатора 21 напряжения. К обмотке возбуждения 5 подключены параллельно полупроводниковые блоки 8,19. Параллельно выводам переменного тока блока 19 подключен тиристорный коммутатор 20. Вторичная обмотка 23 трансформатора напряжения 21 подключена к зажимам переменного тока выпрямительного блока 8. Устройство содержит реле 18 времени, подключенное к фазе В обмотки 2 статора двигателя и непосредственно к питающей сети 4 через автоматический выключатель 3. Нормально-открытые контакты 54, 55 реле времени включены в цепи управления тиристоров 44,45 выпрямительного блока 19, а нормативно закрытый контакт реле времени включен в систему управления коммутатора 20. Это позволяет повысить надежность работы двигателя в тяжелых пусковых и рабочих режимах. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к электрическим трехфазным невысоковольтным машинам средней мощности, применяющимся в качестве электропривода компрессоров, насосов и других установок, а именно, к системам возбуждения синхронных двигателей.

Известно, что пуск синхронных двигателей осуществляется без подачи возбуждения в асинхронном режиме. Для этого необходимы три условия: отсутствие напряжения на обмотке возбуждения ротора до достижения им требуемого числа оборотов; замыкание обмотки возбуждения ротора сопротивлением для предотвращения наведения повышенных ЭДС на обмотке возбуждения в процессе пуска двигателя; необходимость по достижении ротором наибольшего числа оборотов (близких к синхронной скорости) подавать на обмотку возбуждения постоянное напряжение для вхождения двигателя в синхронизм.

Известно устройство возбуждения синхронного двигателя (фиг. 1) (см. книгу авторов: И.А. Глебов и С.И. Логинов "Системы возбуждения и регулирования синхронных двигателей", "Энергия", Ленинградское отделение, 1972, с. 50, рис. 4-1), в котором параллельно к обмотке возбуждения синхронного двигателя подключен вращающийся выпрямитель 6 и последовательная цепочка, включающая в себя два тиристора T1 и T2 и защитный резистор R_В, включенный между катодом первого T1 и анодом второго T2 тиристора. При этом диоды вращающегося выпрямителя 6 включены встречно тиристорам T1 и T2.

Управление тиристорами T1 и T2 осуществляется с помощью цепочек, содержащих диод и кремниевый стабилитрон КС в каждой. А средняя точка резистора R_з соединена перемычкой AB с одной из фаз (например с фазой А) выпрямителя 6. К зажимам переменного тока вращающегося выпрямителя 6 подключена трех фазная обмотка синхронного возбудителя СВ. А обмотка его возбуждения 1 через полууправляемый трехфазный выпрямитель 2 подключена к сетевому трансформатору 3. Регулирование тока возбуждения возбудителя осуществляется через регулятор 4, фазоимпульсное устройство 5 и тиристоры выпрямителя 2.

В пусковом режиме (то есть при асинхронном пуске) защитное сопротивление R_з подключается к обмотке возбуждения ротора с помощью тиристоров T1 и T2. При пуске положительная полуволна переменного тока обмотки возбуждения замыкается через вращающийся выпрямитель 6. После перехода тока через нуль напряжение на обмотке возбуждения резко возрастает и, достигнув напряжения срабатывания кремниевых стабилитронов КС в цепи тиристоров T1 и T2, приводит к срабатыванию этих тиристоров. После прохождения отрицательной полуволны тока ротора через защитное сопротивление управляемые вентили закрываются, и процесс повторяется с частотой скольжения.

При достижении ротором синхронного двигателя подсинхронной скорости срабатывает обычная релейная схема, работающая в функции тока статора. При этом замыкается контактор К, и на обмотку возбуждения возбудителя 1 через трансформатор 3 и выпрямитель 2 подается питание из питающей сети.

При этом в процессе синхронизации возможны один -два полупериода отрицательного тока ротора, который замыкается через разрядное сопротивление R_з. Однако, после включения контактора К по этому пути может протекать и выпрямленный ток возбудителя, что будет препятствовать закрытию тиристоров. Для предотвращения этого процесса предусмотрена перемычка AB. Она обеспечивает периодическое шунтирование каждого управляемого вентиля T1, T2 для токов, идущий от выпрямителя.

После втягивания двигателя в синхронизм тиристоры T1, T2 закрывают и отключают защитное сопротивление R_з.

Однако, наличие защитного сопротивления R_з в схеме, вызванное необходимостью ограничение токов короткого замыкания возбудителя через цепь тиристоров T1, T2, приводит к появлению при пуске постоянной составляющей в токе ротора. Но в случае отсутствия защитного сопротивления R_з при подаче питания на обмотку возбуждения 1 возбудителя и нескольких поворотах ротора двигателя выпрямитель 6 попадает в режим короткого замыкания. Это приводит к значительному снижению входного момента.

Таким образом, защитное сопротивление R_з ликвидирует режим короткого замыкания выпрямителя 6, но его наличие приводит к несимметричной форме тока ротора и появлению вследствие этого постоянной составляющей тока возбуждения. В результате этого возникает добавочный тормозной момент и некоторое утяжеление пуска двигателя.

Известно другое устройство возбуждения синхронного двигателя, разработанное фирмой "Сименс" (фиг. 2) (см. там же, с. 51, или Siemens Leitschrift, 1968, 42, Heft 11). В этой схеме возбуждения защитное сопротивление подключено к обмотке возбуждения синхронного двигателя последовательно с конденсатором и другим резистором. А тиристоры T1, T2, соединенные между собой встречно параллельно, общими зажимами подключены параллельно к последовательно соединенным защитному резистору и конденсатору. Вращающийся выпрямитель в этой схеме подключен к обмотке возбуждения двигателя через тиристор T3. А управление всеми тиристорами T1, T2 и T3 осуществляется с помощью блоков управления 1 и 2.

При пуске двигателя последовательный тиристор T3 закрыт, и выпрямитель отключен. Тиристоры T1 и T2 пропускают положительную и отрицательную полуволны тока, обеспечивая его симметричную форму.

Включение возбудителя при вхождении в синхронизм производится с помощью последовательного тиристора T3. Двигатель легко входит в синхронизм тогда, когда включение возбудителя производится при определенном скольжении и при правильной фазировке обмотки возбуждения двигателя, что отслеживается и осуществляется блоками управления 1 и 2.

Это устройство возбуждения обеспечивает симметричную форму тока ротора в пусковых режимах.

Однако, оно имеет очень сложную схему управления вследствие наличия тиристора T3 и необходимости отслеживания момента его включения с величиной скольжения и фазировкой возбуждения двигателя.

Кроме того, это устройство не позволяет, особенно в тяжелых условиях пуска, обеспечить оптимальную величину момента на валу двигателя для его вхождения в синхронизм. Действительно, на подсинхронной скорости, близкой к синхронной, то есть при инфранизких частотах ротора (2,5 1,0 Г) величина напряжения на обмотке возбуждения очень мала и определяется величиной ЭДС E_2s=E₂·s, где E₂ ЭДС роторной цепи; s скольжение.

В этих условиях невозможно нормально управлять тиристорами T1 и T2 (фиг. 2), так как величина силового напряжения, прикладываемого к этим тиристорам, будет недостаточна для их открытия. И кроме того, в таких условиях невозможно отследить необходимую фазу включения каждого из этих тиристоров.

Для вхождения синхронного двигателя в синхронизм электромеханический момент двигателя должен быть достаточно большим. Так, для общепромышленных синхронных двигателей величина момента вхождения в синхронизм составляет (0,31- 1,1) M_ном, где M_ном номинальный момент (см. книгу авторов А.Б.Абрамович и А. А.Круглый "Возбуждение, регулирование и устойчивость синхронных двигателей", "Энергоатомиздат", Лен.Отд. 1983, с. 98).

А величину пускового сопротивления следует менять при пуске по закону) (см. там же): где R_п пусковое сопротивление; s скольжение;
переходная постоянная времени;
R_f активное сопротивление обмотки возбуждения по продольной оси.

Из формулы видно, что R_п при уменьшении скольжения должно уменьшаться. Поэтому требования к системе управления пуском синхронного двигателя в зоне малых скольжений становятся повышенными особенно при колебаниях электромеханического момента двигателя, и, как следствие, колебаниях тока статора. Указанные требования при такой схеме управления пуском оказываются трудно выполнимыми.

Техническая задача данного решения состоит в повышении надежности работы синхронных двигателей и в повышении их динамической и статической устойчивости особенно в тяжелых режимах при работе с поршневыми механизмами, например, поршневыми компрессорами.

Данную техническую задачу авторы решают с помощью регулятора возбуждения синхронного двигателя, содержащего трехфазную обмотку статора, две фазы которой предназначены для непосредственного подключения к питающей сети, и обмотку возбуждения.

Регулятор включает в себя один полупроводниковый выпрямительный блок, подключенный зажимами постоянного тока к обмотке возбуждения двигателя, два пусковых резистора, два пусковых тиристора и защитный тиристор.

Дополнительно в него введены два пусковых диода, реле времени, второй полупроводниковый выпрямительный блок, тиристорный коммутатор и трансформатор напряжения. Последний выполнен трехобмоточным с одной первичной и двумя вторичными понижающими обмотками. Одна из последних подключена к входным зажимам переменного тока первого полупроводникового выпрямительного блока. Пусковые диоды и первый пусковой резистор образуют первую пусковую последовательную цепь таким образом, что первый зажим первого пускового резистора подключен к катоду первого пускового диода. Второй зажим указанного резистора подключен к аноду второго пускового диода, а третий, средний, зажим этого резистора соединен со средним зажимом второго пускового резистора, образующего с первыми двумя пусковыми тиристорами вторую пусковую последовательную цепь так, что один зажим этого резистора соединен с анодом первого пускового тиристора, а второй его зажим соединен с катодом второго пускового тиристора. При этом каждый средний зажим каждого из указанных резисторов делит соответствующий резистор на неравные части таким образом, что сопротивление левой части первого резистора, соединенной с катодом первого пускового диода, и сопротивление правой части второго резистора, соединенной с катодом второго пускового тиристора, составляют величину, много меньшую величины сопротивления другой части соответствующего резистора.

Кроме того, обе указанные пусковые цепи соединены параллельно между собой и подключены общими зажимами к обмотке возбуждения двигателя так, что общий их зажим, образованный анодом первого пускового диода и катодом первого пускового тиристора, объединен с анодным выходом первого полупроводникового выпрямительного блока. Другой зажим обеих пусковых цепей, образованный катодом второго пускового диода и анодом второго пускового тиристора, объединен с катодным выходом первого полупроводникового выпрямительного блока.

Общий средний зажим обоих пусковых резисторов соединен с катодом защитного тиристора, анод которого подключен к первому зажиму другой вторичной обмотки трансформатора напряжения, другой зажим которой подключен к первому общему зажиму обеих пусковых цепей.

Цепь управления каждого из двух пусковых тиристоров включает в себя встречно последовательно соединенные анодами стабилитрон и диод, причем катод каждого из последних управляющих диодов подключен к управляющему электроду соответствующего пускового тиристора. А катод каждого из стабилитронов подключен к аноду соответствующего пускового тиристора.

Один зажим обмотки питания реле времени, являющийся первым выходом регулятора, подключен к одной из двух фаз обмотки статора двигателя. Другой зажим обмотки питания реле времени, являющийся вторым входом регулятора, предназначен для непосредственного подключения к третьей фазе питающей сети, и, кроме того, подключен к первому зажиму переменного тока второго полупроводникового выпрямительного блока. Последний является однофазным полууправляемым выпрямителем, каждая параллельная цепь которого содержит согласно последовательно включенные тиристор и диод.

Зажимы постоянного тока указанного выпрямителя, образованные один анодными зажимами его диодов и другой катодными зажимами его тиристоров, подключены к зажимам обмотки возбуждения двигателя так, что анодный выход указанного выпрямителя является общим с анодным выходом первого полупроводникового выпрямительного блока. А катодный выход выпрямителя является общим с катодным выходом первого полупроводникового выпрямительного блока.

Цепь управления каждого тиристора указанного выпрямителя содержит диод, каждый из которых подключен к управляющему электроду соответствующего тиристора, анод каждого из которых через соответствующий нормально открытый контакт реле времени соединен с анодом соответствующего управляющего диода, а второй зажим переменного тока выпрямителя, являющийся третьим входом регулятора, подключен к третьей фазе обмотки статора двигателя.

Анод каждого управляющего диода выпрямителя соединен с анодом соответствующего диода пары управляющих диодов первого полупроводникового выпрямительного блока, общий катодный зажим которых соединен с анодом управляющего диода защитного тиристора и с одним из зажимов накопительного конденсатора. Другой зажим последнего подключен к анодному выходу постоянного тока первого полупроводникового выпрямительного блока. А к управляющему электроду защитного тиристора подключен катод его управляющего диода.

Тиристорный коммутатор выполнен однофазным и включает в себя встречно параллельно соединенные тиристоры, общими зажимами подключенные к зажимам переменного тока полууправляемого выпрямителя.

Управляющие цепи тиристоров коммутатора включают в себя, каждая, последовательно соединенные диод и резистор, свободным зажимом подключенный к управляющему электроду соответствующего тиристора. Свободные анодные зажимы указанных диодов объединены в общий зажим, подключенный к первому зажиму регулируемого резистора, второй зажим которого подключен к другому общему зажиму, образованному катодами другой пары диодов, каждый из которых своим анодом подключен к аноду соответствующего тиристора коммутатора. Третий подвижный зажим регулируемого резистора через нормально открытый контакт реле времени соединен со вторым зажимом регулируемого резистора.

Кроме того, первичная обмотка трансформатора предназначена для непосредственного подключения к питающей сети и, соответственно, к первому и второму входам регулятора.

Кроме того, первый полупроводниковый выпрямительный блок выполнен в двух вариантах. В первом варианте он является полууправляемым однофазным выпрямителем, к управляющему электроду каждого из тиристоров которого подключен катод соответствующего управляющего диода. При этом аноды указанных диодов объединены и подключены общим зажимом к первому зажиму накопительного конденсатора. А выходы постоянного тока указанного выпрямителя, образованные, соответственно, общим анодным зажимом его диодов и общим катодным зажимом его тиристоров, являются анодным и катодным выходами первого полупроводникового выпрямительного блока.

Во втором варианте первый полупроводниковый выпрямительный блок включает в себя неуправляемый диодный выпрямитель и четвертый тиристор, катодом подключенный к анодному выходу постоянного тока неуправляемого выпрямителя. А анод четвертого тиристора является анодным выходом первого полупроводникового блока, катодным выходом которого является катодный выход неуправляемого выпрямителя. Управляющий электрод четвертого тиристора подключен к первому зажиму накопительного конденсатора.

Новым в данном устройстве является то, что в него дополнительно включены два пусковых диода, реле времени, второй полупроводниковый выпрямительный блок, тиристорный коммутатор и трансформатор напряжения с их связями между собой и другими элементами устройства.

Это позволяет обеспечить все условия асинхронного пуска синхронного двигателя и вхождения его в синхронизм в тяжелых условиях пуска и устойчивую его работу в установившемся и динамическом режимах путем перераспределения тока фазы питающей сети между цепью коммутатора и обмоткой возбуждения двигателя.

Сказанное позволяет сделать вывод о причинно-следственной связи между совокупностью существенных признаков и достигаемым техническим результатом.

На фиг. 1 приведена схема устройства возбуждения синхронного двигателя, являющаяся аналогом заявляемого технического решения; на фиг. 2 схема устройства возбуждения синхронного двигателя, разработанная фирмой "Сименс" и являющаяся прототипом заявляемого технического решения; на фиг. 3 схема заявляемого регулятора возбуждения синхронного двигателя с первым вариантом исполнения первого полупроводникового выпрямительного блока, обеспечивающего регулирование возбуждения по напряжению; на фиг. 4 схема заявляемого регулятора возбуждения синхронного двигателя со вторым вариантом исполнения первого полупроводникового выпрямительного блока.

Регулятор возбуждения синхронного двигателя 1, содержащего трехфазную обмотку статора (фазы A, B, C) 2, две фазы (фазы A и B) которой предназначены для непосредственного подключения через автоматический выключатель 3 к питающей сети 4, и обмотку 5 возбуждения с зажимами 6, 7 включает в себя (фиг. 3 и 4) один полупроводниковый выпрямительный блок 8, подключенный зажимами 9, 10 постоянного тока к обмотке 5 возбуждения двигателя 1, два пусковых резистора 11, 12, два пусковых тиристора 13, 14 и защитный тиристор 15.

Дополнительно в него введены два пусковых диода 16, 17, реле времени 18, второй полупроводниковый выпрямительный блок 19, тиристорный коммутатор 20 и трансформатор 21 напряжения. Указанный трансформатор 21 выполнен трехобмоточным с одной первичной 22 и двумя вторичными 23, 24 понижающими обмотками. Одна из последних (обмотка 23) подключена зажимами 25, 26 к одноименным входным зажимам переменного тока первого полупроводникового выпрямительного блока 8. Пусковые диоды 16, 17 и первый пусковой резистор 11 образуют первую пусковую последовательную цепь таким образом, что первый зажим 27 первого пускового резистора 11 подключен к катоду первого пускового диода 16. Второй зажим 28 указанного резистора 11 подключен к аноду второго пускового диода 17, а третий, средний, зажим 29 этого резистора 11 соединен со средним зажимом 30 второго пускового резистора 12, образующего с первыми двумя пусковыми тиристорами 13, 14 вторую пусковую последовательную цепь так, что один зажим 31 этого резистора 12 соединен с анодом первого пускового тиристора 13, а второй его зажим 32 соединен с катодом второго пускового тиристора 14. При этом каждый средний зажим 29, 30 каждого из указанных резисторов 11, 12 делит соответствующий резистор на неравные части таким образом, что сопротивление левой части (зажимы 27, 29) первого резистора 11, соединенной с катодом первого пускового диода 16, и сопротивление паровой части (зажимы 30, 32) второго резистора 12, соединенной с катодом второго пускового тиристора 14, составляют величину, много меньшую величины сопротивления другой части соответствующегшо резистора 11, 12 (соответственно зажимы 29, 28 резистора 11 и зажимы 31, 30 резистора 12). Обе указанные пусковые последовательные цепи (элементы 16, 11, 17 и 13, 12, 14) соединены параллельно между собой и подключены общими зажимами 33, 34 к обмотке 5 возбуждения двигателя 1 (зажим 33 к зажиму 6 и зажим 34 к зажиму 7) так, что общий их зажим 33, образованный анодом первого пускового диода 16 и катодом первого пускового тиристора 13, объединен с анодным выходом 9 первого полупроводникового выпрямительного блока 8, а другой общий зажим 34 обеих пусковых цепей, образованный катодом второго пускового диода 17 и анодом второго пускового тиристора 14, объединен с катодным выходом 10 первого полупроводникового выпрямительного блока 8.

Общий средний зажим 35 обоих пусковых резисторов 11, 12 соединен с катодом защитного тиристора 15, анод которого подключен к первому зажиму 36 другой вторичной обмотки 24 трансформатора 21 напряжения. Другой зажим 37 этой обмотки 24 подключен к первому общему зажиму 33 обеих пусковых последовательных цепей.

Цепь управления каждого из двух пусковых тиристоров 13, 14 включает в себя встречно последовательно соединенные анодами стабилитрон 38 (39) и диод 40 (41). При этом катод каждого из последних управляющих диодов 40, 41 подключен к управляющему электроду соответствующего пускового тиристора 13, 14. А катод каждого из стабилитронов 38 (39) подключен к аноду 31 (34) соответствующего пускового тиристора 13 (14).

Кроме того, один зажим 42 обмотки питания реле времени 18, являющийся первым входом 42 регулятора, подключен к одной из двух фаз (к фазе B) обмотки 2 статора двигателя 1. А другой зажим 43 обмотки питания реле времени 18, являющийся вторым входом 43 регулятора, предназначен для непосредственного подключения ( через автоматический выключатель 3) к третьей фазе (фазе C) питающей сети 4, и, кроме того, подключен к первому зажиму 43 переменного тока второго полупроводникового выпрямительного блока 19, являющегося однофазным полууправляемым выпрямителем 19, каждая цепь которого содержит согласно последовательно включенные тиристор 44(45) и диод 46(47). При этом зажимы постоянного тока указанного выпрямителя 19, образованные один 48 анодными зажимами его диодов 46, 47 и другой 49 катодными зажимами его тиристоров 44, 45, подключены к зажимам 6, 7 обмотки 5 возбуждения двигателя 1 так, что анодный выход 48 указанного выпрямителя 19 является общим с анодным выходом 9 первого полупроводникового выпрямительного блока 8. Катодный выход 49 выпрямителя 19 является общим с катодным выходом 10 первого полупроводникового выпрямителя блока 8.

Цепь управления каждого тиристора 44, 45 указанного выпрямителя 19 содержит диод 50(51), каждый из которых подключен к управляющему электроду соответствующего тиристора 44(45), анод 52(53) каждого из которых через соответствующий нормально открытый контакт 54(55) реле времени 18 соединен с анодом 56(57) соответствующего управляющего диода 50(51). А второй зажим 58 переменного тока выпрямителя 19, являющийся третьим входом 58 регулятора, подключен к третьей фазе (фазе C) обмотки 2 статора двигателя 1. При этом анод 56(57) каждого управляющего диода 50(51) выпрямителя 19 соединен с анодом 56(57) соответствующего диода 59(60) пары управляющих диодов 59, 60 первого полупроводникового выпрямительного блока 8, общий катодный зажим 61 которых соединен с анодом управляющего диода 62 защитного тиристора 15 и с одним из зажимов 63 накопительного конденсатора 64. Другой зажим 65 последнего подключен к анодному выходу 9 постоянного тока первого полупроводникового выпрямительного блока 8.

К управляющему электроду защитного тиристора 15 подключен катод его управляющего диода 62.

Тиристорный коммутатор 20 выполнен однофазным и включает в себя встречно параллельно соединенные тиристоры 66, 67, общими зажимами 68, 69 подключенные к зажимам переменного тока (зажим 68 к зажиму 43, зажим 69 к зажиму 58) полууправляемого выпрямителя 19.

Управляющие цепи тиристоров 66, 67 коммутатора 20 включают в себя, каждая, последовательно соединенные диод 70(71) и резистор 72(73), свободным зажимом 74(75) подключенный к управляющему электроду соответствующего тиристора 66(67). Свободные анодные зажимы указанных диодов 70(71) объединены в общий зажим 76, подключенный к первому зажиму 77 регулируемого резистора 78, второй зажим 79 которого подключен к другому общему зажиму 80, образованному катодами другой пары диодов 81, 82. Каждый из последних своим анодом подключен к аноду зажим 68(зажим 69) соответствующего тиристора 66(67) коммутатора 20. Третий подвижный зажим 83 регулируемого резистора 78 через нормально закрытый контакт 84 реле 18 времени соединен со вторым зажимом 79 регулируемого резистора 78.

Первичная обмотка 22 трансформатора 21 напряжения (зажимы 85, 86) предназначена для непосредственного подключения (через автоматический выключатель 3) к питающей сети 4 и, соответственно к первому 42 и второму 43 входам регулятора.

Первый полупроводниковый выпрямительный блок 8 выполнен в двух вариантах. В первом варианте (фиг.3) он является полууправляемым однофазным выпрямителем 87, к управляющему электроду каждого из тиристоров 88, 89 которого подключен катод соответствующего диода 90, 91. Аноды указанных диодов 90, 91 объединены и подключены общим зажимом 92 к первому зажиму 63 накопительного конденсатора 64. Выходы 93, 94 постоянного тока указанного выпрямителя 87, образованные, соответственно, общим анодным зажимом 93 его диодов 95, 96 и общим катодным зажимом 94 его тиристоров 88, 89, являются анодным 9 и катодным 10 выходами первого полупроводникового выпрямительного блока 8.

Во втором варианте (фиг.4) первый полупроводниковый выпрямительный блок 8 включает в себя неуправляемый диодный выпрямитель 97 с диодами 98, 99, 100, 101 и четвертый тиристор 102, катодом подключенный к анодному выходу 103 постоянного тока неуправляемого выпрямителя 97. А анод четвертого тиристора 102 является анодным выходом 9 первого полупроводникового блока 8, катодным выходом которого является катодный выход неуправляемого выпрямителя 97.

Управляющий электрод четвертого тиристора 102 подключен к первому зажиму 63 накопительного конденсатора 64.

Работу предлагаемого устройства проанализируем на примере конкретного электропривода с синхронным двигателем типа ДСК-12-24-12У4 для компрессоров типа ВП-20/8М, установленных в компрессорных сортировочных горок на Октябрьской железной дороге.

В качестве реле 18 времени (фиг.3, 4) может быть использовано, например, электронное реле времени серии ВД с диапазоном выдержки времени от 0,1 сек. до 10 мин. (см. Справочник по автоматизированному электроприводу под ред. В. А. Елисеева и А.В. Шинянского М.Энергоатомиздат, 1983, с. 109-110)
Описываемое устройство работает следующим образом.

1. Режим пуска синхронного двигателя. При включении автоматического выключателя 3 (фиг. 3, 4) питание подается непосредственно на фазы A и B обмотки 2 статора синхронного двигателя 1. А на фазу C статора питания подается через полностью открытые тиристоры 66, 67 тиристорного коммутатора 20, к которым при включении автомата 3 прикладывается питающее напряжение фазы C питающей сети 4 через зажимы 43, 58 регулятора.

При этом к работе сразу же подключается реле 18 времени, контакты 54, 55 и 84 которого срабатывают через 4 сек. для данного типа привода. В течение этого времени двигатель 1 разгоняется в режиме асинхронного двигателя до подсинхронной скорости. При этом, так как нормально открытые контакты 54, 55 реле времени еще не сработали, полууправляемый выпрямитель 19 остается не включенным в работу. А обмотка 5 возбуждения двигателя 1 оказывается замкнутой либо на резистор 11, либо на резистор 12 в зависимости от полярности напряжения на зажимах 6, 7 обмотки 5 возбуждения.

При полярности, указанной на фиг.3, 4 без скобок, в работу включается первая пусковая диодно-резисторная цепочка ((+)зажима 6 обмотки 5 возбуждения зажим 33 диод 16 резистор 11- диод 17 зажим 34 -(-) зажима 7 обмотки 5 возбуждения).

При смене полярности зажимов 6, 7 обмотки 5 возбуждения на обратную, указанную на фиг. 3, 4 в скобках, в работу вступает вторая пусковая тиристорно-резисторная цепь. При этом стабилитроны 39 и 40 пробиваются положительным значением напряжения, прикладываемого к ним от обмотки 5 возбуждения, в результате чего создаются цепи управления тиристорами 13, 14 (зажим 31(34)-стабилитрон 38(39) диод 40(41) управляющий электрод тиристора 13(14) зажим 31(34). В результате тиристоры 13, 14 открываются и пропускают обратную полуволну напряжения обмотки 5 возбуждения через сопротивление 12. При этом диоды 16, 17 этой же полуволной напряжения запираются.

Величина сопротивления каждого из резисторов 11, 12 при этом в 15-20 раз больше активного сопротивления обмотки 5 возбуждения
Перемычка 29, 30 при этом обеспечивает надежное закрытие тиристорно-резисторной цепочки 33-13-12-14-34 при смене полярности напряжения на обмотке 5 возбуждения на первоначальную (без скобок).

Тогда, так как сопротивление левой части 27, 29 резистора и правой части 30, 32 резистора 12 много меньше (например в 5 раз), чем, соответственно, их правая часть (29, 28 резистора 11), и левая часть (31, 30 резистора 12), то прямая полуволна напряжения (без скобок) создает контур тока, встречный рабочему току тиристора 14; а именно: зажим 6 обмотки 5 возбуждения зажим 33, диод 16 левая часть 27, 29 резистора 11, перемычка 29, 30 правая часть 30, 32 резистора 12 тиристор 14 зажим 34 зажим 7 обмотки 5 возбуждения. Это обеспечивает надежное закрытие тиристорно-резисторной пусковой цепи в период работы диодно-резисторной пусковой цепи. Частота переключений обеих указанных пусковых цепей будет определяться частотой скольжения. Кроме того, поскольку в течение первых 4 сек. после включения автомата 3 нормально закрытый контакт 84 реле времени 18 остается замкнутым, то часть сопротивления резистора 78 оказывается зашунтированный указанным контактом 84. А цепь управления тиристоров 66(67) будет создаваться, соответственно, для тиристора 66 по цепи: (+) зажима 68 диод 81 зажимы 80,79 нормально закрытый контакт 84 реле 18 времени зажим 83 резистора 78 зажимы 77,76 диод 70 - резистор 72 зажим 74 управляющий электрод тиристора 66.

Для тиристора 67 по аналогичной цепи, но с использованием диодов 82, 71 и резистора 73.

Таким образом, во время пуска ток фазы C обмотки 2 статора двигателя 1 никуда не ответвляется и проходит непосредственно на фазу C двигателя через открытые тиристоры 66, 67 коммутатора 20.

2. Рабочий режим. По истечении 4 сек. замыкаются нормально открытые контакты 54, 55 реле времени 18, а нормально закрытый его контакт 84 открывается.

В результате питание в обмотку 5 возбуждения поступает из питающей сети 4 через выпрямитель 19 и первый полупроводниковый блок 8. А именно: с закрытием нормально открытых контактов 54, 55 реле 18 времени создаются цепи управления тиристоров 44 и 45 через диоды 50, 51 при положительной полуволне напряжения, прикладываемого к соответствующему тиристору.

Одновременно создается цепь управления для полупроводникового выпрямительного блока 8 диоды 59 и 60 и цепь управления защитным тиристором 15 через диод 62.

При этом, так как полупроводниковый блок 8 может быть выполнен в двух вариантах, создается следующие цепи.

Первый вариант: когда указанный блок является полууправляемым диодно-тиристорным выпрямителем 87 (фиг.3). Тогда пара управляющих диодов 59, 60 дополняется парой диодов 90, 91, управляющих тиристорами 88, 89 выпрямителя 87.

Второй вариант: когда указанный блок 8 включает в себя диодный выпрямитель 97 и последовательно с ним включенный четвертый тиристор 102. Тиристор 102 получает управляющий сигнал через диоды 59, 60.

В результате при обоих вариантах выполнения полупроводникового блока 8 при срабатывании реле 18 времени в работу вступают две системы регулирования возбуждения двигателя 1: по току через выпрямитель 19 и по напряжению - через полупроводниковый блок 8.

Одновременно с этим, так как открылся нормально закрытый контакт 84 реле 18 времени, то в цепи управления тиристорами 66, 67 включается полное сопротивление резистора 78, то есть суммарная величина сопротивления в этих цепях увеличивается. А это приводит лишь к частичному включению тиристоров 66, 67 в работу в положительную и отрицательную полуволны напряжения на фазе C обмотки 2 статора двигателя 1.

Таким образом, резко возросшее сопротивление цепей управления тиристоров 66, 67 приводит к значительному снижению величины тока, протекающего через эти тиристоры. При этом тиристорный коммутатор 20 обеспечивает наперед заданную степень компаундирования.

В результате ток возбуждения в обмотке 5 двигателя 1 возрастает и двигатель втягивается в синхронизм.

При работе синхронного двигателя на поршневой компрессор (без маховика) возникают низкочастотные колебания момента на валу двигателя, и, как следствие, пульсации тока статора двигателя. В результате возможны провалы напряжения на обмотке возбуждения. А так как полупроводниковый блок 8 получает питание от обмотки 23 трансформатора 21, то обмотка 5 возбуждения подпитывается напряжением от этой обмотки 23 трансформатора 21 через блок 8.

В результате создается смешанная регулировка возбуждения двигателя 1: по току через выпрямитель 19 и по напряжению через блок 8.

0при этом в случае провалов напряжения, питающего обмотку 5 возбуждения, через пусковые диоды 16, 17 первой пусковой цепи создается цепь замыкания тока от ЭДС самоиндукции обмотки 5 возбуждения. Тем самым создаются условия для непрерывного протекания тока возбуждения.

При формировании управляющего контура для защитного тиристора 15, последний открывается положительной полуволной напряжения обмотки 24 трансформатора 21, в результате чего тиристор 14 запирается и цепь протекания тока через тиристорно-резисторную цепь 13-12-14 прерывается.

В случае, когда совпадают моменты провала напряжения в обмотке возбуждения и момент неполного закрытия тиристора 14 с помощью защитного тиристора 15, создается (в положительную полуволну напряжения) дополнительная цепь закрытия тиристора 14 через диод 16 левую часть 27, 29 резистора 11 - перемычку 29, 30 правую часть 30, 32 резистора 12, так как суммарная величина сопротивления левой части резистора 11 и правой части резистора 12 много меньше величины сопротивления каждого из них.

Следует сказать, что конденсатор 64 предназначен для накопления энергии, которая может быть использована для дополнительной подпитки управляющих цепей полупроводникового блока 8 в случае провалов питающего напряжения в сети 4.

Таким образом, все перечисленное позволяет обеспечить надежную и устойчивую работу синхронного двигателя в пусковых и рабочих режимах, особенно в условиях тяжелого пуска и колебаний питающего напряжения без использования специальных возбудителей (мотор-генератор) для питания синхронных двигателей.

В результате в перегрузочных режимах увеличивается перегрузочная способность двигателя (ликвидируются режимы, приводящие к выпаданию из синхронизма) и, как следствие, увеличивается срок службы двигателя.

Формула изобретения

1. Регулятор возбуждения синхронного двигателя, содержащего трехфазную обмотку статора, две фазы которой предназначены для непосредственного подключения к питающей сети, и обмотку возбуждения, включающий в себя один полупроводниковый выпрямительный блок, подключенный зажимами постоянного тока к обмотке возбуждения двигателя, два пусковых резистора, два пусковых тиристора и защитный тиристор, отличающийся тем, что дополнительно в него введены два пусковых диода, реле времени, второй полупроводниковый выпрямительный блок, тиристорный коммутатор и трансформатор напряжения, выполненный трехобмоточным с одной первичной и двумя вторичными понижающими обмотками, одна из которых подключена к входным зажимам переменного тока первого полупроводникового блока, пусковые диоды и первый пусковой резистор образуют первую пусковую последовательную цепь таким образом, что первый зажим первого пускового резистора подключен к катоду первого пускового диода, второй зажим указанного резистора подключен к аноду второго пускового диода, а третий, средний, зажим этого резистора соединен со средним зажимом второго пускового резистора, образующего с первыми двумя пусковыми тиристорами вторую пусковую последовательную цепь так, что один зажим этого резистора соединен с анодом первого пускового тиристора, а второй его зажим соединен с катодом второго пускового тиристора, при этом каждый средний зажим каждого из указанных резисторов делит соответствующий резистор на неравные части таким образом, что сопротивление левой части первого резистора, соединенной с катодом пускового диода, и сопротивление правой части второго резистора, соединенной с катодом второго пускового тиристора, составляют величину, много меньшую величины сопротивления другой части соответствующего резистора, обе указанные пусковые цепи соединены параллельно между собой и подключены общими зажимами к обмотке возбуждения двигателя так, что общий их зажим, образованный анодом первого пускового диода и катодом первого пускового тиристора, объединен с анодным выходом первого полупроводникового выпрямительного блока, а другой общий зажим обеих пусковых цепей, образованный катодом второго пускового диода и анодом второго пускового тиристора, объединен с катодным выходом первого полупроводникового выпрямительного блока, а общий средний зажим обоих пусковых резисторов соединен с катодом защитного тиристора, анод которого подключен к первому зажиму другой вторичной обмотки трансформатора напряжения, другой зажим которой подключен к первому общему зажиму обеих пусковых цепей, а цепь управления каждого из двух пусковых тиристоров включает в себя встречно последовательно соединенные анодами стабилитрон и диод, причем катод каждого из этих управляющих диодов подключен к управляющему электроду соответствующего пускового тиристора, а катод каждого из стабилитронов подключен к аноду соответствующего пускового тиристора, один зажим обмотки питания реле времени, являющийся первым входом регулятора, подключен к одной из двух фаз обмотки статора двигателя, а другой зажим обмотки питания реле времени, являющийся вторым входом регулятора, предназначен для непосредственного подключения к третьей фазе питающей сети и подключен к первому зажиму переменного тока второго полупроводникового выпрямительного блока, являющегося однофазным полууправляемым выпрямителем, каждая параллельная цепь которого содержит согласно последовательно включенные тиристор и диод, причем зажимы постоянного тока указанного выпрямителя, образованные один анодными зажимами его диодов и другой катодными зажимами его тиристоров, подключены к зажимам обмотки возбуждения двигателя так, что анодный выход указанного выпрямителя является общим с анодным выходом первого полупроводникового выпрямительного блока, а катодный выход выпрямителя является общим с катодным выходом первого полупроводникового выпрямительного блока, а цепь управления каждого тиристора указанного выпрямителя содержит диод, каждый из которых подключен к управляющему электроду соответствующего тиристора, анод каждого из которых через соответствующий нормально открытый контакт реле времени соединен с анодом соответствующего управляющего диода, а второй зажим переменного тока выпрямителя, являющийся третьим входом регулятора, подключен к третьей фазе обмотки статора двигателя, при этом анод каждого управляющего диода выпрямителя соединен с анодом соответствующего диода пары управляющих диодов первого полупроводникового выпрямительного блока, общий катодный зажим которых соединен с анодом управляющего диода защитного тиристора и с одним из зажимов накопительного конденсатора, другой зажим которого подключен к анодному выходу постоянного тока первого полупроводникового выпрямительного блока, а к управляющему электроду защитного тиристора подключен катод его управляющего диода, тиристорный коммутатор выполнен однофазным и включает в себя встречно параллельно соединенные тиристоры, общими зажимами подключенные к зажимам переменного тока полууправляемого выпрямителя, а управляющие цепи тиристоров коммутатора включают в себя, каждая, последовательно соединенные диод и резистор, свободным зажимом подключенный к управляющему электроду соответствующего тиристора, причем свободные анодные зажимы указанных диодов объединены в общий зажим, подключенный к первому зажиму регулируемого резистора, второй зажим которого подключен к другому общему зажиму, образованному катодами другой пары диодов, каждый из которых своим анодом подключен к аноду соответствующего тиристора коммутатора, а третий подвижный зажим регулируемого резистора через нормально закрытый контакт реле времени соединен с вторым зажимом регулируемого резистора, первичная обмотка трансформатора напряжения предназначена для непосредственного подключения к питающей сети и, соответственно, к первому и второму входам регулятора.

2. Регулятор по п.1, отличающийся тем, что первый полупроводниковый выпрямительный блок является полууправляемым однофазным выпрямителем, к управляющему электроду каждого из тиристоров которого подключен катод соответствующего управляющего диода, причем аноды указанных диодов объединены и подключены общим зажимом к первому зажиму накопительного конденсатора, а выходы постоянного тока указанного выпрямителя, образованные, соответственно, общим анодным зажимом его диодов и общим катодным зажимом его тиристоров, являются анодным и катодным выходами первого полупроводникового блока.

3. Регулятор по п. 1, отличающийся тем, что первый полупроводниковый выпрямительный блок включает в себя неуправляемый диодный выпрямитель и четвертый тиристор, катодом подключенный к анодному выходу постоянного тока неуправляемого выпрямителя, а анод четвертого тиристора является анодным выходом первого полупроводникового блока, катодным выходом которого является катодный выход неуправляемого выпрямителя, а управляющий электрод четвертого тиристора подключен к первому зажиму накопительного конденсатора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4