способ синхронизации синхронного двигателя и устройство для его реализации

Формула изобретения

1. Способ синхронизации синхронного двигателя путем подключения обмотки возбуждения к возбудителю в точно заданный момент времени, отличающийся тем, что включение возбуждения производят от сигнала, формируемого при мгновенном значении ЭДС в обмотке возбуждения, равном нулю, и первой производной по времени от временной функции этой ЭДС, имеющей положительное значение по отношению к напряжению возбудителя.

2. Устройство синхронизации синхронного двигателя, содержащее синхронный двигатель с трехфазной статорной обмоткой и обмоткой возбуждения на роторе, возбудитель, трехфазный выключатель для подключения статорной обмотки к питающей сети, коммутатор возбуждения для подключения обмотки возбуждения к возбудителю, датчик мгновенного значения ЭДС в обмотке возбуждения, отличающееся тем, что имеет блок дифференцирования, блок сравнения с нулевым сигналом, блок определения знака сигнала, блок логики типа И, усилитель, блок управления коммутатором возбуждения, блок питания, при этом вход блока дифференцирования по времени подключен к датчику ЭДС, а выход подключен к входу блока определения знака сигнала, блок сравнения с нулевым сигналом подключен своим входом к датчику ЭДС, выходы блоков определения знака сигнала и сравнения с нулевым сигналом соединены с двумя входами блока логики типа И, а его выход соединен с входом усилителя, выход которого соединен с блоком управления коммутатором возбуждения, блок питания подключен ко всем вышеназванным блокам.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к синхронным машинам, а более конкретно к способам и устройствам управления синхронизацией синхронного двигателя.

Известно техническое решение, где запуск синхронного двигателя осуществляется в два этапа: разбег до подсинхронной частоты вращения и последующая синхронизация двигателя. Для синхронизации примененяется способ так называемой «грубой синхронизации», которая реализуется подключением обмотки возбуждения к возбудителю в произвольный момент времени после завершения разбега двигателя [Пат. RU 2084075, Н02Р 1/50, Н02Р 9/14. Регулятор возбуждения синхронного двигателя. Опубл. 1997.07.10]. Для реализации этого способа обмотка возбуждения подключается к возбудителю по сигналу реле времени.

Недостатком этого способа является низкая надежность синхронизации при его использовании для двигателей с системой возбуждения, обладающей сильным компаундированием. При включении возбуждения таких двигателей иногда вместо синхронизации происходит их резкое торможение. Возникающие при этом динамические силы воздействуют на элементы конструкции двигателя, снижая его конструктивную надежность. Последующие запуски двигателя усложняют его эксплуатацию.

Устройство для реализации этого способа [Пат. RU 2084075, Н02Р 1/50, Н02Р 9/14. Опубл. 1997.07.10] содержит синхронный двигатель с трехфазной статорной обмоткой и обмоткой возбуждения на роторе, возбудитель, коммутатор для включения возбуждения после завершения первого этапа запуска.

Недостатком устройства является его неспособность определения благоприятного момента времени для включения возбуждения двигателя.

Наиболее близким техническим решением является способ синхронизации синхронного двигателя [Слодарж М.И. Режимы работы, релейная защита и автоматика синхронных электродвигателей. М.: Энергия, 1977, с.76-88], где включение возбуждения производится в точно заданное время, чем повышают входной момент двигателя и увеличивают вероятность его успешной синхронизации. В известном способе определение момента включения возбуждения производится по сигналу, генерируемому при совпадении полярности наведенной в обмотке возбуждения электродвижущей силы (ЭДС) с напряжением возбудителя и при времени полупериода этой ЭДС больше времени возврата реле контроля скорости.

К недостаткам способа относятся сложность в настройке и наладке оборудования для его реализации и то, что при настройке оборудования необходимо учитывать собственное время включения контактора возбуждения, что иногда вызывает существенные сложности и как следствие снижает надежность синхронизации.

Устройство для реализации указанного способа [Слодарж М.И. Режимы работы, релейная защита и автоматика синхронных электродвигателей. М.: Энергия, 1977, с.82, рис.3-12] содержит синхронный двигатель с трехфазной обмоткой на статоре и обмоткой возбуждения на роторе. Обмотка статора выключателем подключается к трехфазной сети. Для возбуждения двигателя использован статический возбудитель с трансформатором и трехфазным тиристорным выпрямителем. Тиристоры выпрямителя выполняют функции регулятора тока возбуждения и коммутатора, отключающего обмотку возбуждения от возбудителя на период асинхронного разбега двигателя и включающего обмотку возбуждения под напряжение при синхронизации. Блок управления тиристорным выпрямителем формирует сигнал на включение тиристоров в точно заданный момент времени. Этот момент времени определяется электромагнитным реле после разрешающего сигнала реле контроля скорости, определяющего, что двигатель уже достиг подсинхронной частоты вращения. Сигнал на включение возбуждения производится в полупериод, когда полярность наведенной в обмотке возбуждения ЭДС совпадет с напряжением возбудителя при условии, что время полупериода ЭДС будет больше времени возврата этого реле.

К недостаткам устройства относятся сложность в его настройке и наладке.

Технической задачей является повышение надежности синхронизации синхронного двигателя после достижения им подсинхронной частоты вращения и упрощение устройства управления двигателем.

Решение задачи достигается тем, что в способе синхронизации синхронного двигателя путем подключения обмотки возбуждения к возбудителю в точно заданный момент времени после достижения подсинхронной частоты вращения, согласно изобретению, включение возбуждения производят от сигнала, формируемого при мгновенном значении ЭДС в обмотке возбуждения равном нулю, и первой производной по времени от временной функции этой ЭДС, имеющей положительное значение по отношению к напряжению возбудителя.

Способ синхронизации реализуется устройством, содержащим синхронный двигатель с трехфазной статорной обмоткой и обмоткой возбуждения на роторе, возбудитель, трехфазный выключатель для подключения статорной обмотки к питающей сети, коммутатор возбуждения для подключения обмотки возбуждения к возбудителю, датчик мгновенного значения ЭДС в обмотке возбуждения, согласно изобретению имеющим также блок дифференцирования по времени, блок сравнения входного сигнала с нулевым сигналом, который генерирует сигнал на выходе при отсутствии сигнала на входе, блок определения знака сигнала, который генерирует выходной сигнал при положительном значении производной по времени от входного сигнала по отношению к напряжению возбудителя, блок логики типа «И», усилитель, блок управления коммутатором возбуждения, и блок питания, при этом вход блока дифференцирования по времени подключен к датчику ЭДС, а выход подключен к входу блока определения знака производной, блок сравнения с нулевым сигналом подключен своим входом к датчику ЭДС, выходы блоков определения знака сигнала и сравнения с нулевым сигналом соединены с двумя входами блока логики, выход которого соединен с входом усилителя, выход которого соединен с блоком управления коммутатором возбуждения, а блок питания подключен ко всем вышеназванным блокам.

Положительный результат от использования предложенного способа и устройства заключается в том, что включение обмотки возбуждения происходит при благоприятном расположении оси полюсов по отношению к оси вращающегося магнитного поля обмотки статора, при этом увеличивается входной момент и возрастает вероятность успешной синхронизации для широкого круга синхронных двигателей, включая двигатели с сильным компаундированием. При этом устройство комплектуется изделиями серийного производства и не требует сложной настройки.

Сущность изобретения поясняется чертежами на фиг.1, где представлена упрощенная схема управления синхронным двигателем, и фиг.2, где представлена функциональная схема устройства формирования сигнала на включение возбуждения двигателя при синхронизации.

Устройство управления синхронным двигателем (фиг.1) содержит трехфазный выключатель 1 для подключения обмотки статора 2 двигателя к сети, обмотку возбуждения 3, которая контактом коммутатора возбуждения 4 подключается к возбудителю 5. Коммутатор возбуждения 4 может иметь как контактное, так и бесконтактное исполнение с аналогичными функциями.

Датчик ЭДС 6 (фиг.2) подключен к обмотке возбуждения 3, его электрический сигнал на выходе пропорционален мгновенному значению ЭДС в обмотке возбуждения. Блок дифференцирования 7 генерирует на выходе сигнал, пропорциональный производной по времени от входного сигнала (в данном случае - ). Вход блока 7 подключен к датчику ЭДС 6, а выход подключен к входу блока определения знака сигнала 8, который определяет знак указанной производной по отношению к напряжению возбудителя 5 и генерирует сигнал на выходе при положительном значении производной

Блок сравнения с нулевым сигналом 9 своим входом подключен к датчику ЭДС 6, определяет отсутствие сигнала от датчика 6 и при е=0 генерирует сигнал на выходе. Выходы блоков 8 и 9 соединены с двумя входами блока логики 10 типа «И». Сигнал на выходе блока логики 10 генерируется при наличии сигналов на обоих входах. Выход блока логики 10 соединен с входом усилителя 11, который усиливает сигнал до значений, необходимых для воздействия на устройство управления коммутатором возбуждения 12. Выход усилителя 11 соединен с входом устройства управления коммутатором возбуждения 12. Устройство управления коммутатором возбуждения управляет контактом коммутатора возбуждения 4. Блок питания 13 обеспечивает питание блоков 7-12.

Способ синхронизации синхронного двигателя реализуется следующим образом. После достижения двигателем подсинхронной частоты вращения, что контролируется одним из известных методов (по времени от начала разбега, по спаданию тока якоря или по величине скольжения, на фиг.1 и 2 соответствующие устройства не показаны), ЭДС в обмотке возбуждения изменяется по синусоидальному закону с частотой скольжения. Замыкание контакта коммутатора возбуждения 4 и подключение обмотки возбуждения 3 к возбудителю 5 производят в точно заданный момент времени от сигнала, формируемого при мгновенном значении ЭДС в обмотке возбуждения 3, равном нулю, и первой производной по времени от временной функции этой ЭДС, имеющей положительное значение по отношению к напряжению возбудителя 5. Для формирования указанного сигнала на замыкание контакта коммутатора возбуждения 4 датчик ЭДС 6 передает сигнал, пропорциональный мгновенному значению ЭДС в обмотке возбуждения 3, блокам дифференцирования 7 и сравнения с нулевым сигналом 9. Блок 8 определяет знак производной и при генерирует сигнал на выходе. Одновременное выполнении обоих условий е=0 и происходит в момент перехода синусоидальной ЭДС в обмотке возбуждения 3 из отрицательной полуволны в положительную. В этот момент сигналы от блоков 8 и 9 поступают на вход блока логики 10 типа «И», который генерирует импульсный сигнал на выходе. С выхода блока логики 10 импульсный сигнал передается на вход усилителя 11. Усилитель 11 усиливает сигнал и передает его на вход устройства управления коммутатором возбуждения 12, который фиксирует сигнал и замыкает контакт коммутатора возбуждения 4, в результате чего обмотка возбуждения 3 подключается к возбудителю 5. При этом происходит синхронизация двигателя.