Переходные процессы в электродвигательной нагрузке систем промышлен
..pdfи,2 N |
и |
AU° |
|
U |
”1 cos а— |
{/ |
|
°7 У У ____________________ U f N |
(5.32) |
||
<// = |
|
|
Пренебрегая падением напряжения на вентилях схемы вы прямления, уравнение (5.32) можно представить в виде
U, = ^ - U |
1 = AU1, |
(5,33) |
и 1У |
|
|
где и„ и U1У— напряжения на |
обмотке возбуждения |
и об |
мотке статора в установившемся режиме СД, при которых осуществлялась настройка ВУ, связанные следующей зависи мостью:
u” =A‘- ^ u» cos‘ l { '+A> t } |
(5.34) |
|
|
а коэффициент |
|
|
(5.35) |
При форсировке возбуждения система управления стати ческого ВУ работает так, что угол управления тиристорами а становится равным нулю, поэтому предельное напряжение на обмотке возбуждения
Ufn = Av |
ц |
_ Д |
J. ^ —0Ха<-___ |
иfN |
(5.36) |
иfN |
|
“ q N Rf |
|||
Процесс нарастания напряжения U, при форсировке описы |
|||||
вается выражением |
(5.10), |
однако постоянная |
времени Те |
||
для статических ВУ очень |
мала |
(Ге< 0,02 |
с), поэтому мож |
но считать, что напряжение на обмотке возбуждения возрас тает до предельного значения UJn мгновенно.
Система управления статическим ВУ подключается к той же электрической сети, что и само устройство. При сниже нии напряжения сети до значения, равного примерно поло вине номинального, система управления перестает функцио нировать. При этом тиристоры схемы выпрямления могут оказаться включенными, а обмотка возбуждения замкнутой на вторичную обмотку трансформатора, т. е. практически ко роткозамкнутой.
Гашение поля в СД, оснащенном статическим ВУ, можно осуществлять либо замыканием обмотки возбуждения на пусковое сопротивление, либо переводом управляемого вы прямителя в инверторный режим. При гашении поля с помо щью пускового сопротивления напряжение на обмотке воз буждения двигателя определяется так же, как и для электромашинного ВУ, по (5.11).
Перевод статического ВУ в инверторный режим осущест вляется изменением угла управления тиристорами а. При анализе инверторного режима удобнее оперировать углом
опережения р, который дополняет угол |
управления а до |
180°, т. е. |
|
р = 180°—а. |
(5.37) |
Обычно угол опережения составляет 10—30° Уравнение внешней характеристики инвертора, ведомого сетью, в отно сительных единицах
и, = - Л |
и , cos р - А2 |
|
(5.38) |
|
UfN |
Ёдн Rf |
UfN |
В инверторном режиме источником энергии является об мотка возбуждения СД, и поскольку ток возбуждения // сохраняет свое направление, напряжение на обмотке возбуж дения меняет свой знак.
Из уравнения (5.38) следует, что напряжение на обмотке возбуждения, а следовательно, и эффективность гашения по ля СД, увеличиваются при уменьшении угла опережения р. Однако значение угла р ограничено снизу условием устойчи
вости работы инвертора [24] |
|
|
|
|
|
|
(5.39) |
где f — угол коммутации тиристоров; |
0В— угол |
восстанов |
|
ления |
управляющих свойств тиристора. Если |
неравенство |
|
(5.39) |
не выполняется, то инверторное |
гашение |
поля неосу |
ществимо. Такая ситуация может возникнуть [24] при малых значениях угла Р; больших значениях угла коммутации ч; замедлении процесса восстановления Управляющих свойств вентилей (больших значениях угла В9); отказе системы уп равления при запирании или отпирании вентилей.
При использовании несимметричной мостовой схемы вы
прямления инверторный |
режим работы |
ВУ |
невозможен. |
В процессе гашения поля обмотка возбуждения |
СД оказыва |
||
ется замкнутой накоротко |
(без пускового |
сопротивления) на |
вентили выпрямительного моста [5], что значительно снижа ет эффективность гашения поля.
При расчетах устойчивости СД, оснащенных статически ми ВУ, в режимах, когда обмотка возбуждения замкнута на ВУ, уравнение напряжения в соответствии с внешней харак теристикой (5.29) (падением напряжения в вентилях прене брегаем) можно записать в виде
U ,= B iU —B2r„ |
(5.40) |
где Bi и В2— постоянные коэффициенты; |
U — напряжение |
на статорной обмотке СД. Коэффициент В2 определяется схе мой выпрямления ВУ, параметрами схемы замещения СД и анодным реактивным сопротивлением:
В2= Л2- ^ £ - . |
(5.41) |
EqN В/ |
|
Для расчета коэффициента В\ необходимо знать парамет ры синхронного установившегося режима СД. В качестве такого режима при расчетах устойчивости СД после кратко временных перерывов электроснабжения удобно использо вать синхронный установившийся режим, предшествующий перерыву в электроснабжении. Исходными данными, опреде ляющими этот режим, являются коэффициент загрузки дви
гателя по активной |
мощности К3, коэффициент мощности |
cos ср и напряжение |
на статорной обмотке 1)у. По этим дан |
ным можно определить синхронную ЭДС двигателя в уста новившемся режиме ЕчУ, а следовательно, и напряжение на обмотке возбуждения
Uly= E J E qN, |
(5.42) |
||
где EqN— синхронная ЭДС |
Еч в номинальном |
режиме. Ток |
|
в обмотке возбуждения |
/ /у |
в принятой системе относитель |
|
ных единиц определяется |
соотношением |
|
|
Ify= |
U,yEqN • |
(5.43) |
|
|
|
%ad |
|
Подставляя соотношения (5.42) и (5.43) в уравнение (5.40), получаем
Вг = |
+ |
^/у __ ^/у / ] _|_ |
E(IN |
I. |
(5.44) |
|
Uy |
Uy \ |
xa({ |
J |
|
Напряжения на обмотке возбуждения в режимах форси ровки возбуждения и инверторного гашения поля
Uf— B\K^U—S2//; |
(5.45) |
V f= —B ^ U cos p—5 2/,. |
(5.46) |
Угол опережения в режиме инверторного |
гашения поля |
Р=20°, т. е. cosp=<0,94. |
|
Соотношения (5.40), (5.45), (5.46) характеризуют напря жение на обмотке возбуждения во всех возможных режимах СД, оснащенных статическим ВУ
|
Задача 5.1. Двигатель СТД-8000:2 оснащен |
статическим |
ВУ |
типа |
ТЕ8-320/115. Параметры двигателя: P N —S000 кВт; |
S* = 9130 кВ-A; |
//* = |
||
= |
10 кВ; jcad=2,064; # ,= 1,151 • 10~3; /,*=262 А; |
//,*=106 В. Парамет |
||
ры возбудителя: //„* = 115 В; /„* = 320 А; падение напряжения |
в венти |
|||
ле |
А//„=0,82 В; схема выпрямления — трехфазная |
звезда с выведенным |
нулем, т = 3 (рис. 5.6). Согласующий трансформатор ТЗ: тип ТСЗВ-100/0,5; //'2* = 350 В; 5* = 100кВ-А; //к=5%. Трансформатор 77: тип ТМН-1000/10, 5*=1000 кВ-А; //к=5,5%. Определить уравнение внешней характеристи ки статического ВУ и уравнение напряжения на обмотке возбуждения СД. Исходный режим двигателя — номинальный.
Решение. Находим базисное сопротивление роторных цепей СД по
(5.31) |
|
|
|
|
|
Z;E = 9130-108 ■ |
2,782 |
||
|
— |
= 241 Ом. |
||
|
' Б |
(262-2, |
064)5 |
|
Значение EqN= 2,78 вычислено в |
задаче 1.2. Определяем анодное реак |
|||
тивное сопротивление по |
(5.30) |
|
|
|
_ |
350* |
/ 5,5 |
. |
5 |
*а _ |
100-241 |
I 1000 Юз |
| = 2,82-10-«. |
|
100-10» |
Уравнение внешней характеристики статического ВУ в соответствии с вы
ражением (5.29) |
примет вид |
|
|
|
350 |
2,064-2,82-Ю'4 |
0,82 |
/// =0,675 |
106 |
U cos at — 0,478 2,78-1,151-Ю-з 1 |
106 |
=2,23// cos a—0,^87//—0,0077.
Всинхронном установившемся режиме уравнение внешней характеристики, согласно (5.32), упрощается:
0,675-7^ |
0,82 |
U COS а — |
|
106 |
106 |
Uf = |
2,0U cosa —0,0066. |
1+0,478 2,82-IQ'4
1,151-10”3
Предельное напряжение на обмотке возбуждения в режиме форсировки возбуждения по (5.36)
//,„=2,23 U - 0,087 /,-0,0077.
Коэффициент в уравнении напряжения на обмотке возбуждения по (5.41) #2=0,087.
Поскольку установившийся режим СД номинальный, Uy--=1, Ufy—1 и, со- гласно (5.44),
|
0,087 |
2,78 |
( |
|
1,118. |
2,064 |
Уравнение напряжения на обмотке возбуждения в соответствии с выра жением (5.40)
Uf = 1,118 6/—0,087 //.
Из рассмотренной задачи видно, что влияние анодного реактивного сопротивления на уравнение напряжения на об мотке возбуждения незначительно и в большинстве случаев может не учитываться. При этом уравнение напряжения на обмотке возбуждения упростится:
•£/,=11/.
5.4. БЕСЩЕТОЧНЫЕ ВОЗБУДИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА
Бесщеточные ВУ синхронных двигателей с вращающими ся выпрямителями не имеют скользящего контакта в цепи возбуждения, что дает ряд преимуществ по сравнению с ВУ других видов: возможность работы во взрывоопасных и хи-
Рис. 5.7. Принципиальная схема бесщеточного возбудительного устройства с синхронным возбу дителем
мически активных средах; отсутствие проблемы износа кон тактных колец; меньшая требовательность двигателя к ухо ду и большая степень приспособленности для телеуправле
ния и автоматизации [21].
Преимущественное распространение получили бесщеточ ные ВУ с синхронными и асинхронными возбудителями. Тех нико-экономические расчеты показали, что для СД с часто той вращения 500 об/мин и выше более целесообразно ис пользование ВУ с синхронными возбудителями, а при час тоте менее 500 об/мин — ВУ с асинхронными возбудителя ми [21].
Бесщеточное возбудительное устройство с синхронным возбудителем является одним из основных устройств, приме няемых для возбуждения двигателей серии СТД. Схема та кого БВУ приведена на рис. 5.7 [26]. Возбудитель представля ет собой обращенный трехфазный синхронный генератор, вращающийся якорь которого расположен на валу СД и че рез центральное отверстие в валу электрически связан с обмоткой возбуждения двигателя. Управление током в ОВД осуществляется через расположенную на статоре возбудите ля его обмотку возбуждения ОВВ, ток в которую подается только при синхронизации двигателя и работе его в синхрон ном режиме; ЭДС, наводимая в обмотке якоря возбудителя, выпрямляется трехфазным диодным выпрямителем Д.
Напряжение на ОВД U} пропорционально току возбуж дения возбудителя /вв. Это объясняется отсутствием насы щения возбудителя при токах, не превышающих номинально го [26]. Поскольку возбудитель располагается на одном ва лу с СД, напряжение на обмотке возбуждения определяется следующим выражением:
f/,= tfo /BB, |
(5.47) |
где К — коэффициент пропорциональности.
Обмотка возбуждения возбудителя получает питание че
рез выпрямитель Д1 от той же электрической |
сети, что и |
СД, поэтому напряжение на ОВД |
|
Uf =J^o- . U, |
(5.48) |
UУ |
|
где Ufy и Uу — напряжения на обмотке возбуждения и на статорной обмотке в синхронном установившемся режиме СД, при котором осуществлялась настройка БВУ
Постоянная времени Тс БВУ, определяющая скорость на растания напряжения U{ при форсировке возбуждения, рав
также при любых возможных в эксплуатации коэффициентах форсировки возбуждения. Напряжение отпирания О0ти тири сторов VI, V2 определяется сопротивлением резистора R3
и составляет (5—6) UfN.
Резисторы R1 и R2 предназначены для отпирания обоих параллельно включенных тиристоров и распределения тока между ними. При пуске СД ОВВ разомкнута, а в ОВД на водится синусоидальный ток с частотой скольжения ротора s. Положительная полуволна этого тока замыкается через вы прямитель Д. При спадании тока 1} до нуля ОВД некоторое время оказывается разомкнутой, а именно, до тех пор, пока напряжение на ней не возрастет до и отп- Затем ток // замы кается через защитную цепь тиристоров VI и V2. Далее этот процесс повторяется с частотой скольжения (рис. 5.8). Оче видно, что та часть периода if, в течение которой обмотка возбуждения двигателя оказывается разомкнутой, увеличива ется по мере разгона СД, т. е. уменьшения его скольжения. Такой характер пуска приводит к тому, что пусковая моментная характеристика СД с БВУ отличается от пусковой ха рактеристики того же двигателя с другими ВУ Более под робно этот вопрос рассмотрен в гл. 6.
Подача возбуждения на двигатели с БВУ осуществляет |
|
ся в зависимости от тока статора [21]. При этом возникает |
|
опасность подачи возбуждения, т. е. замыкания контактов К |
|
(рис. 5.7), в тот момент, когда защитная тиристорная цепь |
|
открыта. В таком |
случае эта цепь будет открыта постоянно, |
и обмотка якоря |
синхронного возбудителя оказывается в не |
допустимом для нее режиме короткого замыкания. Для пред отвращения этого в БВУ предусмотрена задержка подачи возбуждения длительностью до 1,5 с после снижения тока
статора до значения, соответствующего уставке токового ре ле в цепи управления возбуждением. Однако отпирание ти ристоров VI и V2 возможно и в синхронном режиме СД вследствие значительного снижения порога отпирания при повышении температуры и ввиду постоянного поступления сигнала на их управляющие электроды. В связи с этим раз рабатываются более совершенные схемы защитных цепей, а также БВУ с вращающимися тиристорными выпрямителя ми [27]. Исследования показывают значительные преимуще ства таких устройств по сравнению с применяемыми в на стоящее время БВУ с диодными выпрямителями.
E "d(0 ) = £ ^ ( - 0 ) . |
(6.7) |
Здесь знаком (—0) отмечены значения параметров режима,
предшествующего КЗ.
Система уравнений переходных процессов в СД, получен ная на основе упрощенных уравнений Парка—Горева, для режима КЗ состоит из трех практически независимых урав нений (6.1) —(6.3). Электромеханические переходные процес сы в двигателе протекают только под воздействием тормоз ного момента механизма Ммех независимо от электромагнит ных переходных процессов. Электромагнитные переходные процессы по продольной (6.2) и поперечной (6.3) осям про текают независимо друг от друга, а относительно приведен ных значений сверхпереходных ЭДС при условии Uf= = const — независимо и от электромеханических переходных процессов.
Наибольший интерес при коротком замыкании в СД пред ставляют электромагнитные переходные процессы, анализ которых в дальнейшем проводится при условии постоянства напряжения на обмотке возбуждения (if7/ =*const) и частоты вращения ротора (со = соо=1).
Уравнение электромагнитных переходных процессов по поперечной оси (6.3) для режима КЗ представляет собой линейное дифференциальное уравнение первого порядка. Ре шение такого уравнения содержит только свободную состав ляющую
E « = E d ( - 0)е-,/7Ч |
(6.8) |
Уравнение электромагнитных переходных процессов по продольной оси (6.2) для режима КЗ представляет собой линейное дифференциальное уравнение второго порядка. Ре шение такого уравнения содержит вынужденную и свобод ную составляющие
E''q= E qB + E qc. |
( 6 . 9 ) |
Вынужденная составляющая при условии Us = const в соот ветствии с (6.2)
E qa=’ |
^X(i- E q N U f = ^x<iE q { - 0). |
(6.10) |
Свободная составляющая решения уравнения (6.2)
EqQ= Ae~llT<1 + Be~tlT‘t, |
(6.11) |