Двигатель двойного питания. Регулирование скорости в машине двойного питания

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Союз Советски кСоциалистическихРеспублик 773887(23) Приоритет 12,10,78 Опубликовано 23.10.80.Бюллетень Рй 39 юв делам изабретеиий и открытийДата опубликования описания 25,10.80 А. А, Круглый, Н. Г. Бочкова и Б. Н. Абрамович(71) Заявитель Центральное проектно-конструкторское и технологическое бюро крупных электрических машин(54) МАШИНА ДВОЙНОГО ПИТАНИЯ Изобретение относится к электротехнике, а именно к электроприводу переменного тока, регулируемого от тиристор ного преобразователя частотыаи может быть использовано для привода промышленных установок повышенной мощности, например рудораэмольных мельниц.Известно устройство, содержащее асинхронную машину с многофазным якорем, соединенным с питающей сетью че 30 рез выключатель, и индуктором, подключенным непосредственно к выходу преобразователя частоты, вход которого подключен к выходу источника питания указанного преобразователя, блок управле 15 ния преобразователем частоты; вкод ко торого соединен с регулятором установившегося режима через коммутатор, на второй вход которого подключен выкод блока управления при пуске Я.Однако известное устройство имеет установленную мощность преобразователя частоты и источника его питания большую, чем требуется для регулирования двигателя в установившикся режимах, а также требует применения сложной цепи включения статора в виде выключателя с короткоэамыкателем или нескольких вык лючателей.Бель изобретения - снижение установленной мощности и упрощение. аппаратуры,Цель достигается тем, что один вход блока управления при пуске соединен с выходом преобразователя частоты, а второй его вход соединен с выкодом источника питания указанного преобразователя частоты. Кроме того блок управления, при пуске выполнен в виде последовательно соединенных формирователя сигнала, выход которого образует выход блока управления при пуске,.устройства сравнения, первый вкод которого образует вход бло ка управления при пуске, и преобразователя переменного тока в постоянный, вход которого образует второй вход блока управления при пуске.3 7738На чертеже изображена схема устройства,Устройство содержит асинхронную машину 1 с многофаэным якорем (статором)и индуктором (ротором). Через выключа 5.тель 2 с одним замыкающим контактомна фазу (т. е. нормального типа) статормашины 1 соединяется с питающей сетью,Ротор машины 1 глухо" подключен квыходу преобразователя 3 частоты, Преобразователь 3 частоты соединен с выходом его источника 4 питания. Вентилипреобразователя 3 включаются системой5 управления преобразователем. На входсистемы 5, задающей фазу, подан выходкоммутатора 6. Коммутатор имеет двавхода, соединенные через диоды. На первый вход коммутатора подключен выходрегулятора 7 установившегося режима.На вход регулятора 7 включены выходы,например, тахогенератора 8, трансформаторов тока 9 и напряжения 10 в цепистатора машины 1., На второй входкоммутатора 6 пецсоединен выход блока11 управления при пуске. Первый вход 25блока управления при пуске соединенцепью 12 с выходом преобразователя 3частоты, а второй - цепью 13 с выходом, источника 4 питания.Блок 11 управления при пуске соцер- З 0жит формирователь 14 сигнала, соединенный входом с выходом устройства 15сравнения, на один вход которого подана связь 12, а на второй - связь 13,через преобразователь 16 переменноготока в постоянный,Предложенное устройство работаетследующим образом. В исходном положении перед пуском40 машины 1 выключатель 2 отключен, а преобразователь 3, источник 4 и элемен ты 5-16 управления включены, В момент включения выключателя 2 на роторе машины 1, и, соответственно, на выходе преобразователя 3 (что одно и то же при глухом" соединении) появляется напряжение, нарастающее к величине, значительно большей напряжения выхода преобразователя 3 в установившемся режиме, Послецнее напряжение по амплитуде50 равно амплитуце выхода источника 4.Это напряжение, через преобразователь 16 непрерывно сравнивается в устройстве 15 с напряжением ротора, Оба на 55 пряжения подаются в устройства 15, 16 через цепи 12, 13. Когда напряжение ротора (цепь 12) установится по модулю больше напряжения источника (цепь 13). 87 а1 на выходе элемента 15 появляется сигнал, преобразуемый формирователем 14 в прямоугольный сигнал, амплитуца которого, проходя через диоцный коммутатор 6 и подавляя сигнал выхода регулятора 7, задает фазу импульса в системе 5, соответствующую режиму инвертора преобразователя 3. Подавление сигнала регулятора 7 в коммутаторе 6 возникает в связи с темчто наибольшее значе/.ние сигнала выхоца элемента 7 меньше величины сигнала на выходе формирователя 14. А диодный коммутатор пропускает только наибольший иэ сигналов. В результате вентили преобразователя 3 включаются и ограничивают напряжение ротора до величины напряжения источника 4, Ток же в цепи ротора определяется разностью навеценной ЭДС и напряжения источника 4, Напряжение ротора начинает нарастать в момент перехода тока через нуль, поэтому на кольцах ротора ток и напряжение совпадают по фазе, что и означает эквивалентность действия преобразователя 3 введению активного сопротивления. При этом ток несколько уменьшается по сравнению с пуском при закороченном роторе, а момейт значи тельно возрастает. Машина 1 разгоняется, Напряжение, наведенное в роторе со статора, снижается, Сигнал цепи 12 становится меньше сигнала цепи 13, устройства 15 и 14 не выдают сигнала, и в работу вступает регулятор 7. Машина 1 переходит в установившийся режим работы.формула изобретения1, Машина двойного питания, содержащая асинхронную машину с многофаэным якорем, соединенным с питающей сетью через выключатель, и индуктором, подключенным непосредственно к выходу преобразователя частоты, вход которого подключен к выходу источника питания указанного преобразователя, блок управления преобразователем частоты, вход которого соединен с регулятором установившегося режима через коммутатор, на второй вход которого поцключен выход блока управления при пуске, о т - л и ч а ю щ а я с я тем, что, с целью снижения установленной мощности и упрощения аппаратуры, оцин вход блока управления при пуске соединен с выходом преобразователя частоты, а второй его вхоц соединен с выходом источника питания указанного преобразователя частоты, 5 773882, Машина по п. 1, о т л и ч а юш а я с я тем, что блок управления при пуске выполнен в виде последовательно соециненных формирователя сигнала, выход которого образует выход блока управления при пуске, устройства сравнения, первый вход которого образует вход блока управления при пуске, и преобразо 7 Ьвателя переменного тока в постоянныйвход которого образует второй вход блока управления при пуске. Источники информации,принятые во внимание при экспертизе 1. Авторское свицетельство СССР М 411597, кл, Н 02 Р 7/46, 1972.каз 7527/77 Тираж 783 ВНИИ ПИ Государственного ио делам изобретений и 113035, Москва, Ж, Раув

Заявка

1954690, 17.08.1973

ЦЕНТРАЛЬНОЕ ПРОЕКТНО-КОНСТРУКТОРСКОЕ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ БЮРО КРУПНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН

КРУГЛЫЙ АЛЕКСАНДР АРОНОВИЧ, БОЧКОВА НИНА ГРИГОРЬЕВНА, АБРАМОВИЧ БОРИС НИКОЛАЕВИЧ

МПК / Метки

Код ссылки

Машина двойного питания

Похожие патенты

Оптройа соединен с выходом выходного каскада 30. Диод 29 схемы ИЛИ 27 подключен к транзистору 22 канала минимального предела через резистор 34. Коллекторы транзисторов 2 и 22 через резисторы 35 и 36 нагрузки подключены к источнику37 собственного питания. Резистором нагрузки схемы ИЛИ 27 является резистор 38. Оба эмиттера транзисторов 3 и 23 и эмиттер транзистора 4 соединены с выходными цепями источника 37 соответственно через диоды 39 и 40. Между базой транзистора 4 и выводом диода 40, противоположным тому, который соединен с эмиттером транзистора 4, включен резистор 41.В спокойном состоянии транзисторы 2 и 22 закрыты за счет разности величины напряжения контролируемого стабилизированного источника питания и пороговых...

Обеспечивает отвод тепла от нагревающихся элементов за пределы корпуса. Для этого во внутреннюю полость теплонесущих элементов помещены тепло- отводящие стержни, торцовые поверхности которых жестко прикреплены к внутренней поверхности крышки при помощи кронштейна.На чертеже изображен предлагаемый искробезопасный блок источника питания.Он содержит взрывонепроницаемую оболочку 1, которая при помощи стяжных болтов 2 с передней стороны плотно закрыта крышкой 3. К крышке 3 с наружной стороны приварены ребра-охладители 4, а на внутренней стороне с помощью болтов 5 плотно крепится металлический каркас 6, в котором расположены металлические стержни 7 с намотанной на цпх фольгой 8 для плотной посадки резистора 9 5 по его внутреннему диаметру....

Делителя частоты, выход которого служит для подключения к управляющемучастотой входу преобразователя частоты,На чертеже приведена схема авто,номного источника питания с устройством для стабилизации частоты,.Фильтр, состоящий из асинхронного двигателя 3 и генератора 4 стабильной частоты,Устройство для стабилизации частоты содержит блок 5 синхронизациидля преобразования синусоидальногонапряжения генератора 4 в импульсное напряжение малой длительностипо переходу через ноль положительной и отрицательной полуволн синусоидального напряжения. С выходаблока 5 импульсы, соответствующиепереходу через ноль положительнойполуволны напряжения, поступают на.вход задатчика б эталонной длитель-ности, Задатчик эталонной длительности определяет...

По конструкции машина двойного питания (асинхронизированная синхронная машина, управляемая машина переменного тока) подобна асинхронной машине с фазным ротором, На ее статоре, как правило, размещается трехфазная обмотка, а на роторе двухфазная или трехфазная.

Обмотка статора получает питание от сети с частотой питающего напряжения f 1 , а к обмотке ротора через управляемый вентильный преобразователь ПЧ подводится напряжение с частотой f 2 (f 2 < f 1 ) . Частота и амплитуда напряжения ПЧ регулируются по заданному закону системой управления. Машины двойного питания целесообразно применять в установках большой мощности, где их преимущества наиболее сильно проявляются. Они могут работать в качестве генераторов и двигателей как в синхронном, так и в асинхронном режиме.

В машине двойного питания, работающей двигателем, изменением f 2 можно регулировать частоту вращения. Частота тока в роторе асинхронной машины

f 2 = f 1 s , (1)

s = ( n 1 - n ) / n 1 (2)

n 1 - частота вращения магнитного поля.

Решая совместно (1) и (2), получаем зависимость

частоты вращения ротора n от f 1 и f 2 :

n = n1( f 1 ± f 2 ) / f 1 . (3)

Знак плюс соответствует чередованию фаз ПЧ , при котором ротор и его магнитное поле вращаются в противоположных направлениях, а минус - когда они вращаются в одну и ту же сторону.

Из (3) следует, что в зависимости от направления вращения магнитного поля ротора можно получить n < n 1 , или n > n 1 , Если при работе поддерживать f 2 = const , то машина будет работать в синхроyном режиме, а при f 2 = var - в асинхронном. Когда f 2 = 0 (питание обмотки ротора постоянным током), то машина работает как обычный синхронный двигатель.

С целью снижения активной мощности преобразователя частоты, которая равна Р п.ч = ( f 2 / f 1 ) Р ЭМ (здесь Р ЭМ - электромагнитная мощность), частоту f 2 изменяют в небольших пределах. Кроме частоты вращения в машине двойного питания, работающей двигателем, можно регулировать реактивную мощность и cos φ . Машина может работать как с опережающим, так и с отстающим током. Если подводимая к обмотке ротора добавочная ЭДС Е Д совпадает по направлению с индуктированной в ней ЭДС Е 2 , то В этом случае происходит регулирование частоты вращения ротора. При изменении фазы Е Д относительно Е 2 одновременно с регулированием частоты вращения изменяется и реактивная мощность, т. е. cos φ .

Машины двойного питания, работающие в энергосистемах как генераторы, имеют определенные преимущества по сравнению с обычными синхронными генераторами: они более устойчиво работают в режимах глубокого потребления реактивной мощности, имеют большую динамическую устойчивость, обеспечивают компенсацию колебания частоты и т. д.

Машины двойного питания можно использовать в качестве электромеханического преобразователя частоты для гибкой связи энергосистем, частоты которых несколько отличаются друг от друга (не более 0,5 - 1%). Электромеханический преобразователь частоты для гибкой связи энергосистем состоит из двух машин, соединенных общим валом (см. рис.). Одна из этих машин является обычной синхронной машиной СМ , а другая - машиной двойного питания МДП . Статорные обмотки машин подключены к разным энергосистемам. Система управления вырабатывает такой сигнал, чтобы частота напряжения в роторе машины двойного питания равнялась разности частот связываемых энергосистем. Одна из машин работает как двигатель, а другая - как генератор. При этом мощность из одной энергосистемы передается в другую.

Машина двойного питания может применяться как источник напряжения постоянной частоты при переменной частоте вращения ротора.

Выразим в (3) n 1 , через f 1 (из формулы n 1 = 60f 1 / p ).

После преобраэования получим

f 1 = рn / 60 ± f 2 (4)

Из (4) следует: чтобы при переменной частоте вращения ротора n получить f 1 =const , необходимо соответственно изменить частоту f 2 подводимого r ротору напряжения.

Машины двойного питания пока еще не получили широкого применения. Они изготовляются в единичном исполнении.

На компрессорных станциях магистральных газопроводов и иных промышленных объектах, оборудованных электроприводом, между рабочим механизмом и электродвигателем используют промежуточное звено - редуктор. Существует особый класс электрических машин, применение которых позволило бы исключить редуктор. Это машины двойного питания (МДП). Исследование МДП, имеющих двойную синхронную скорость на валу, т.е. 6000 об/мин при частоте 50 Гц и 2-х полюсным исполнением, имеет весьма большое практическое значение для промышленности, так как позволяет создать безредукторный электропривод мощных центробежных компрессоров и насосов. Использование надежного и экономичного электропривода позволяет более просто осуществлять задачи комплексной автоматизации промышленных объектов.

В лаборатории была исследована МДП в режиме двигателя с параллельным соединением обмоток при питания их от сети промышленной частоты, и при вращении с двойной синхронной скоростью. Исследования проводились с помощью балансирной установки. В этой установке испытываемый двигатель жестко связан через муфту с машиной постоянного тока, корпус которой в определенных пределах мог свободно вращаться относительно вала. Принципиальная схема установки, на которой было проведено экспериментальное исследование, показана на рис.1 , на котором обозначены:

МДП - испытываемая асинхронная машина в режиме двигателя двойного питания;

МПС и ГПС - машины постоянного тока независимого возбуждения.

Машинапостоянного тока (МПС) служит разгонным двигателем для МДП, а также является динамометром, который позволяет непосредственно измерять вращающий момент МДП и осуществлять её загрузку.

В качестве испытываемой МДП использован серийный асинхронный двигатель с фазным ротором, который имеет следующие данные:

Тип двигателя - АК-52-6;

Мощность Р ном = 2,8 кВт;

Схема соединения обмоток статора D/Y;

Напряжение статора 220/380 В;

Ток статора 13,0/7,5 А;

Номинальная скорость вращения вала 920 об/мин;

КПД - 75,5 %;

Коэффициент мощности cosj= 0,74;

Соединение обмоток ротора Y;

Напряжение 91 В;

Ток 21,2 А.

Машины МПС и ГПС - обычные серийные машины постоянного тока типа ПН-85 с данными: Р ном = 5,6 кВт, U = 220 B, I ном = 30 А, n = 1000 об/мин.

Питание ротора R МДП осуществлялось через регулируемый трёхфазный автотрансформатор типа РНТ. Для синхронизации МДП с сетью использованы обычные лампы накаливания, включённые в режим уменьшения яркости в момент синхронизации.

Перед запуском установки необходимо найти прямое вращение поля статора и обратное вращение поля ротора МДП. Для этого выводные концы обмотки ротора R соединяют между собой и МДП запускают как обычный короткозамкнутый электродвигатель подачей напряжения на статор с помощью автоматического выключателя QF1. При этом фиксируют направление вращения ротора двигателя. Затем, осуществляют включение МДП обращённым асинхронным двигателем подачей напряжения на ротор, предварительно соединив между собой выводные концы обмотки статора S. Одинаковое направление вращение ротора в первом и во втором случае соответствует обратному вращению поля ротора, то есть обратному чередованию фаз ротора. Если это условие не выполняется, то меняют местами подключение к фазам сети А, В, С любых двух выводов обмотки статора S или ротора R и вновь проверяют выполнение указанного условия.

Пуск установки осуществляют следующим образом: запускают приводной асинхронный двигатель АД генератора ГПС, резистором R3 устанавливают напряжение 220 В на его зажимах. Включением QF 1 подают напряжение на статор S МДП, включением QF 2 - на автотрансформатор РНТ. Затем, вращая рукоятку автотрансформатора, устанавливают необходимое напряжение для ротора машины (91 В). При этом лампы накаливания EL горят ровным немигающим светом. Закрепив корпус МПC стопорными винтами, запускают последнюю включением автоматического выключателя QF4 и уменьшением величины резистора R2. Плавно уменьшая магнитный поток МПС резистором R1, разгоняют МДП до двойной синхронной скорости (2000 об/мин).

При повышении скорости вращения МДП частота мигания ламп EL падает. В момент синхронизма (лампы погасли и не загораются) включают автоматический выключатель QF 3 . После нескольких качаний МДП втягивается в синхронизм с сетью и работает как синхронная машина в двигательном режиме при синхронной скорости вращения, равной 2000 об/мин. На этом пуск установки заканчивается.

Изменением магнитного потока МПС (резистором R1) можно плавно регулировать нагрузку МДП от холостого хода до номинальной и выше. Для этого необходимо освободить стопорные винты, крепящие корпус МПС, что даёт возможность непосредственно измерять вращающий момент МДП, пользуясь шкалой балансирной машины и указательной стрелкой, закреплённой на корпусе нагрузочной машины МПС. Выключателем QF 4 можно осуществлять мгновенное включение и отключение любой заранее установленной нагрузки. При этом корпус МПС при толчкообразном набросе нагрузки необходимо закреплять стопорными винтами.

При испытаниях производились измерения тока, напряжения, активной мощности, скорости вращения, вращающегося момента и угла нагрузки и МДП. Измерения в цепи статора осуществлялись при помощи переносного измерительного комплекта типа К-50, а в цепи ротора измерение активной мощности осуществлялось по схеме двух ваттметров типа Д539/4, имеющих пределы измерения по напряжению 75 - 600 В, а по току 5 - 10 А, включённые через трансформаторы тока.

Измерение тока в цепи ротора осуществлялось тремя амперметрами с пределами измерения 0 - 25 А, а для измерения напряжения использовались два вольтметра. Один амперметр со шкалой 0 - 250 В, подключённый к выходу автотрансформатора РНТ, использовался для предварительной установки напряжения, необходимого для ротора МДП. Второй - астатический типа АСТВ с пределами измерения 0 - 150 В был непосредственно подключён к зажимам ротора МДП и использовался конкретно в измерительных целях.

Измерение скорости вращения МДП осуществлялось при помощи стробоскопического устройства типа СТ-5, а измерение угла нагрузки и и исследование колебаний (качаний) МДП - с помощью специального устройства, разработанного автором данной статьи.

Для определения значений тока и мощности холостого хода, механических потерь и потерь в стали, для снятия характеристики намагничивания и определения степени насыщения МДП был проведен опыт холостого хода. Опыт холостого хода проводился по схеме, приведенной на рис.2 , с тем лишь изменением, что обмотки статора МДП и автотрансформатора РНТ были включены в сеть через общий индукционный регулятор. Помимо тех рекомендаций, которые дает ГОСТ для проведения опыта холостого хода, нужно иметь в виду, что на холостом ходу при пониженных напряжениях МДП работает неустойчиво и выпадает из синхронного режима работы. Устойчивая работа может быть достигнута, если МДП имеет на валу нагрузку, величина которой может быть незначительной по сравнению с мощностью машины.

Методика снятия данных при проведении опыта холостого хода

МДП запускается и незначительно загружается. Индукционным регулятором устанавливается необходимое напряжение на статоре, автотрансформатором РНТ - на роторе (необходимые точки напряжений рассчитывают заранее с учетом постоянства коэффициента трансформации машины). Выключателем QF 4 снимается нагрузка с МДП, затем проверяется соответствие установленных точек напряжения на статоре и роторе, если необходимо, то проводят коррекцию, после чего снимают показания приборов и снова (включением QF 4) нагружают машину. Аналогично получают другие точки характеристики холостого хода. Сразу же после опыта холостого хода проводят измерение сопротивлений обмоток статора и ротора при помощи измерительного моста. Для цепи статора сопротивление составило 1,153 Ом, для цепи ротора - 0,15 Ом.

Мощность, потребляемая статором МДП на холостом ходу, покрывает потери в меди обмотки статора, в стали и часть механических потерь, то есть:

Р 1 = Р М1 + Р С1 + Р МЕХ1 (1)

Аналогично для ротора МДП

Р 2 = Р М2 + Р С2 + Р МЕХ2 (2)

Из этих выражений видно, что МДП не имеет вторичных потерь, т.к. энергия сети подводится и к статору, и к ротору. Для разделения механических потерь и потерь в стали выделяем потери в меди из записанных выше выражений.

В этом случае

P OS = P 1 - P M1 = P C1 + P МЕХ1 , (3)

P OR = P 2 - P M2 = P C2 + P МЕХ2

где P OS и P OR - потери холостого хода в статоре и, соответственно, в роторе.

Разделение потерь холостого для цепи статора двигателя АК-52-6 в режиме МДП показано на рис.3 . Аналогичное разделение потерь проводят для цепи ротора.

Путем разделения потерь получено, что механические потери, покрываемые со стороны статора, составляют 270 Вт, а со стороны ротора - 256 Вт, т.е. имеем фактически равное покрытие механических потерь как со стороны статора, так и со стороны ротора. Общие механические потери МДП составляют 526 Вт, что превышает механические потери АК-52-6 в обычном асинхронном режиме из-за большей скорости вращения двигателя в этом режиме работы.

Коэффициент мощности при холостом ходе МДП для статора определяют по формуле:

cosj= P 1 / (Ö3U 1 *I 01) (5)

Аналогично определяют коэффициент мощности для ротора. Индуктивные составляющие токов холостого хода для статора и ротора находят из выражений

I m1 = I O 1 *sinj 1 (6)

I m2 = I O 2 *sinj 2 . (7)

Из данных опыта холостого хода и результатов их обработки следует вывод:

ток холостого хода исследуемой машины в режиме МДП остается прежним, следовательно, можно говорить об относительном уменьшении тока холостого хода в два раза, т.к. мощность машины в этом режиме удваивается.

Нарис.3 показаны кривые намагничивания исследуемого двигателя в режиме МДП, где U Ф - фазное напряжение двигателя; Е Ф - фазная электродвижущая сила двигателя (ЭДС); І м - намагничивающий ток двигателя. На рис.4 изображена кривая индуктивного сопротивления взаимной индукции Х m , приведенная к фазе статора, построенная по результатам опыта холостого хода.

Опытное определение рабочих характеристик МДП осуществлялось двумя методами: прямым и косвенным. При определении характеристик прямым методом величина полезного момента непосредственно считывалась со шкалы балансирной машины с учетом поправки, которая находилась опытным путем согласно . Величина полезной мощности определялась по выражению:

h= P 2 / P 1 (9)

При определении рабочих характеристик косвенным методом потери в стали и механические потери МДП принимались постоянными. Потери в меди обмоток определялись обычным способом , КПД МДП - по формуле:

h= (P 1 - SP) / P 1 (10)

Р 1 - мощность, потребляемая статором и ротором МДП;

SP - сумма потерь в МДП.

Коэффициенты мощности статора и ротора находят из выражений

cosj 1 = P 1 / (Ö3U 1 *I 1), cosj 2 = P 2 / (Ö3U 2 *I 2) (11)

Нагрузка МДП при проведении опыта изменялась при помощи резистора R1 (см. рис.1 ). При этом фиксировались напряжения, токи статора и ротора МДП, вращающий момент, подведенная к статору к ротору мощность и угол нагрузки и. Результаты исследования прямым методом представлены на рис.6 в виде основных рабочих характеристик

h= f(P 2) и cosj= f (P 2) (11)

Для удобства сравнения с обычным асинхронным режимом на рис.5,а полезная мощность двигателя дана в киловаттах, на рис.5,б - в процентах. За номинальную мощность двигателя в режиме МДП принята мощность 5,6 кВт, т.к. при этой мощности статор и ротор МДП обтекаются номинальными токами. Из приведенных основных рабочих характеристик асинхронной машины с фазным ротором следует, что серийный асинхронный двигатель в режиме двигателя двойного питания имеет значительно лучшие энергетические показатели, а именно :

1)асинхронный двигатель с фазным ротором в режиме МДП в тех же габаритах увеличивает свою мощность в два раза (с 2,8 кВт на 5,6 кВт);

2)коэффициент полезного действия (КПД) двигателя значительно возрастает (с 75,5% до 84,5%) , а коэффициент мощности двигателя в режиме МДП - с 0,76 до 0,96.

Исследования МДП на устойчивость работы показали, что она в режиме двигателя работает устойчиво во всём диапазоне нагрузок, начиная с небольшой загрузки и кончая двукратными перегрузками (Р НОМ АД = 2,8 кВт, Р НОМ МДП = 5,6 кВт, Р mах МДП =11,7 кВт, и mах =42°).Достижение расчётной перегрузки (Р mах МДП = 16,8 кВт) ограничивалось возможностью тормозного устройства.

Толчкообразный наброс нагрузок, даже выше номинальной, не выводит МДП из синхронного режима работы. То же самое можно сказать при внезапном сбросе нагрузки с МДП .

Испытания на устойчивость работы МДП выявили также, что время успокоения её колебаний при набросе нагрузки значительно меньше времени успокоения при сбросе. Это подтверждает теоретические выводы о том, что МДП при работе на холостом ходу более близка к неустойчивому состоянию. Снижение напряжения питающей сети и работа МДП на холостом ходу приводит к возникновению колебаний (качаний), так что при этих условиях работу их нужно считать неустойчивой. Очевидно, что именно этим явлением и объясняется распространённое мнение о склонности МДП к незатухающим колебаниям. Небольшая загрузка (до 0,1 Р НОМ для исследуемого двигателя типа АК-52-6) полностью устраняет колебания и МДП работает устойчиво - без качаний и выпадения из синхронного режима работы.

Выводы

1. Проведенные экспериментальные исследования серийного асинхронного двигателя типа АК-52-6 с фазным ротором при работе в режиме двойного питания при двойной синхронной скорости, т.е. в режиме машины двойного питания (МДП), подтверждают высокие технико-экономические показатели этого класса машин. Они имеют высокий КПД, превышающий КПД обычного режима, что объясняется отсутствием у этих машин вторичных потерь (потери во вторичной обмотке трансформатора, потери в роторе асинхронного двигателя, потери на возбуждение синхронной машины). У МДП вторичных потерь по принципу работы вообще нет, т.к. статор и ротор являются первичными, обмотки которых подключены непосредственно к одной общей сети.

2. МДП отличаются высокими значениями коэффициента мощности (cosj), что связано с совместным действием двух систем питания по созданию общего магнитного потока машины.

3. МДП развивает двойную мощность по сравнению с асинхронной машиной в тех же габаритах и имеет двойную синхронную скорость вращения при промышленной частоте 50 Гц, что позволяет получить одну не стандартную скорость вращения, равную 2000 об/мин.

4. Установлено, что МДП практически при любых нагрузках могут работать устойчиво. Это подтверждают и осциллограммы сброса и наброса нагрузки при работе МДП.

Переходные процессы у МДП, связанные с изменением нагрузки, - периодические и точно так же, как и у обычных синхронных машин, они - затухающие.

При понижении напряжения питающей сети и работе МДП на холостом ходу, возникают колебания (качания), так что при этих условиях работу их нужно считать неустойчивой.

5. Качество рабочих характеристик, возможность устойчивой работы обычных серийных асинхронных двигателей с фазным ротором в режиме МДП показали, что этот класс электрических машин может служить компактным и экономичным преобразователем энергии. Он применяться практически не только в качестве высокоскоростного привода (n =6000 об/мин) при промышленной частоте 50 Гц, но и при обычных стандартных скоростях вращения с получением дополнительной скорости в 2000 об/мин.

Литература:

1. Жерве Г.К. Промышленные испытания электрических машин. Госэнергоиздат, 1959.

2. Нюрнберг В. Испытания электрических машин. Госэнергоиздат, 1959

3. Коломойцев К.В. Включение синхронного генератора на параллельную работу с сетью и о машине двойного питания // Электрик. - 2004. - №10. - С.11-12.

4.Коломойцев К.В. Энергетические возможности машин двойного питания//Электрик. - 2008. - №5. - С.48.

5. Коломойцев К.В. Устройство для измерения угла нагрузки и исследования колебаний машины двойного питания при синхронной скорости // Электрик. - 2011. №11. - С.37-39.

В отличие от схем вентильного каскада, где поток энергии скольжения направлен только в одну сторону - от ротора двигателя к инвертору и далее в питающую сеть, в схемах двигателя двойного питания в цепь ротора включают преобразователь (рис. 6.38), обеспечивающий двухсторонний обмен энергией, как от ротора двигателя в питающую сеть, так и от сети в обмотки ротора асинхронного двигателя. Таким преобразователем является преобразователь частоты с непосредственной связью. При этом добавочная ЭДС, вводимая в цепь ротора, может быть направлена, как против ЭДС ротора, согласно с ней или под некоторым углом (л - 8). В общем случае

TJ = ТТ ж)

°доб ^доб^

Рис. 6.38.

UFA, UFB, UFC - преобразователи частоты с непрерывной связью

Ток ротора определяют из уравнения равновесия напряжений в контуре ротора:

где z 2 - комплексное сопротивление цепи ротора.

Активная и реактивная составляющие тока ротора равны:

В этих формулах: Е у Е 2н - текущая и номинальная (при 5=1) ЭДС ротора;

Активная составляющая тока ротора определяет момент двигателя Ми механическую мощность двигателя: мех = со (1-5).

Реактивная составляющая тока ротора определяет реактивную мощность, циркулирующую в статорной и роторной цепях двигателя:

Равенства (6.67) показывают, что, регулируя значения и фазу добавочного напряжения доб, вводимого в цепь ротора, можно управлять активной и реактивной мощностями двигателя. Из этого положения также следует, что при соответствующих значениях U 2 и 8 активная составляющая тока ротора может быть отрицательна при положительных скольжениях 5 > 0 и положительна при отрицательных скольжениях 5

Мощность торможения Р в рассматриваемом случае недостаточна для создания электромагнитной мощности Р, поэтому из сети через трансформатор и роторный преобразователь забирается и направляется в ротор двигателя недостающая мощность, пропорциональная скольжению s = со 0 5. Сумма механической мощности,

поступающей с вала, и мощности скольжения + = со =

образует электромагнитную мощность, которая рекуперируется в питающую сеть. Отдаваемая в сеть мощность равна разности рекуперируемой мощности, передаваемой по цепи статора, и мощности, забираемой со стороны трансформатора: = -

В двигательном режиме при скорости выше синхронной (рис. 6.39,5) в роторную цепь двигателя добавляется мощность скольжения, забираемая из сети со стороны трансформатора. Она складывается с электромагнитной мощностью, поступающей в двигатель со стороны статора. Сумма этих мощностей преобразуется в механическую мощность на валу двигателя, обеспечивая работу двигателя с моментом М при скорости выше синхронной:

Рис. 6.39. а - режим генераторного торможения при скорости ниже синхронной; б- двигательный режим при скорости выше синхронной

Заметим, что, несмотря на то, что скольжение в этом случае отрицательно, двигатель развивает двигательный момент.

В обоих рассматриваемых режимах преобразователь частоты работает таким образом, что энергия от трансформатора поступает в ротор двигателя, т.е. двигатель питается как со стороны статора, так и ротора.

Поскольку частота/ 2 ЭДС и тока ротора определяется скольжением двигателя / 2 = / , то и частота добавочной ЭДС, вводимой в цепь ротора, должна совпадать с частотой ЭДС ротора и изменяться при изменении скольжения двигателя.

Максимально возможный диапазон регулирования скорости вниз и вверх от синхронной определяется двумя параметрами - возможными максимальными значениями частоты/ 2 и напряжения ^ добтах на выходе преобразователя частоты, служащего для питания цепи ротора. Максимальный диапазон регулирования скорости будет равен = co max /co m =(+ max)/(- max).

Абсолютное значение максимального скольжения равно

| шах | ^доО / 2н "

Так как преобразователь частоты с непосредственной связью, как правило, обеспечивает регулирование частоты в пределах 20 Гц (при частоте питания 50 Гц), чему соответствует максимальное скольже- ние | 0тах | = 0, то максимальный диапазон регулирования скорости двигателя двойного питания равен: = , со 0 /0, со 0 ~ 2, : .

Регулирование скорости в схеме двигателя двойного питания производят изменяя относительное значение и знак добавочной ЭДС 8 = ?/ доб / 2н, при этом частота на выходе преобразователя автоматически поддерживается равной частоте тока ротора. Механические характеристики двигателя двойного питания при 8 = 0,2 приведены на рис. 6.40.

Основным достоинством схем вентильного каскада и двигателей двойного питания является высокий КПД, сохраняющийся при регулировании скорости в заданном диапазоне. Поскольку эти системы регулируемого асинхронного привода имеют ограниченный диапазон регулирования, как правило, не выше 2:1, то эти системы применяют, главным образом, для привода мощных (выше 250 кВт) турбомеханизмов: вентиляторов, центробежных насосов и др.

Электротехнические комплексы и системы 25 ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ КОМПЛЕКСЫ И СИСТЕМЫ УДК 621.3.07 А.В. Григорьев ОПТИМАЛЬНОЕ УПРАВЛЕНИЕ МАШИНОЙ ДВОЙНОГО ПИТАНИЯ Под термином «машина двойного питания» (МДП) понимается асинхронный двигатель с фазным ротором, который может получать питание со стороны как статора, так и ротора . Рассмотрим задачу управления МДП с цеt лью J = inf ∫ (M Z − M) 2 dt , где Mz - задаваемое 0 (необходимое) значение электромагнитного момента двигателя, M - мгновенное значение электромагнитного момента двигателя. Для решения задачи управления представим модель МДП в системе координат, неподвижной относительно вектора напряжения ротора : ⎧ dΨSX ⎛Ψ ⎞ k = U SX − R S ⎜⎜ SX − R Ψ RX ⎟⎟ + ω 2 ΨSY , ⎪ dt L " L " S ⎪ ⎝ S ⎠ ⎪ ⎞ ⎛ ΨSY k R ⎪ dΨSY = U − Ψ RY ⎟⎟ − ω 2 ΨSX , SY − R S ⎜⎜ ⎪ dt ⎝ LS " LS " ⎠ ⎪ ⎪ dΨ RX ⎪ dt = U RX − ⎪ ⎞ ⎛Ψ k ⎪ - R R ⎜⎜ RX − S ΨSX ⎟⎟ + (ω 2 − pω)Ψ RY , ⎨ L " L " R ⎠ ⎝ R ⎪ ⎪ dΨ ⎪ RY = U RY − ⎪ dt ⎪ ⎞ ⎛Ψ k ⎪ - R R ⎜⎜ RY − S ΨSY ⎟⎟ − (ω 2 − pω)Ψ RX , ⎪ ⎠ ⎝ LR " LR " ⎪ ω 1 d ⎪ = (M − M C), ⎪ dt J ⎩ где ΨSX, ΨSY, ΨRX, ΨRY, - составляющие векторов потокосцеплений статора и ротора по осям координатной системы x-y, неподвижной относительно вектора напряжения ротора; USX, USY, URX, URY, - составляющие векторов напряжений статора и ротора по осям координатной системы x-y; ω 2 = 2πf 2 - круговая частота напряжения ротора; f2 - частота напряжения ротора; p - число пар полюсов двигателя; ω - круговая частота вращения ротора двигателя; RS , RR , L S " = L Sl + k S Lm , L R " = L RL + k R Lm , kS , kR активное сопротивление статора, ротора, переходные индуктивности статора и ротора, коэффициенты электромагнитной связи статора и ротора соответственно; J - момент инерции ротора двигателя; M, MC - момент электромагнитный двигателя и момент сопротивления механизма соответственно. Запись модели МДП в системе координат x-y позволяет разделить управляющее воздействие со стороны ротора на две компоненты – амплитуду напряжения ротора Urm и его круговую частоту ω2. Последнее позволяет исключить в синтезированной системе управления зависимость между этими воздействиями и временем. В качестве управляющего воздействия примем частоту напряжения ротора. Решение задачи оптимального управления будем искать при помощи принципа максимума Понтрягина . Необходимая при этом вспомогательная функция: H(ΨS ,ΨR ,US ,UR ,α) = ⎛ ⎞ ⎛Ψ ⎞ k =ψ1⎜USX − RS ⎜⎜ SX − R ΨRX ⎟⎟ + ω2ΨSY ⎟ + ⎜ ⎟ ⎝ LS" LS" ⎠ ⎝ ⎠ ⎛ ⎞ ⎛ ΨSY kR ⎞ +ψ 2⎜USY − RS ⎜⎜ − ΨRY ⎟⎟ − ω2ΨSX ⎟ ⎜ ⎟ ⎝ LS" LS" ⎠ ⎝ ⎠ ⎛ ⎞ ⎛Ψ ⎞ k +ψ3⎜URX − RR⎜⎜ RX − S ΨSX ⎟⎟ + (ω2 − pω)ΨRY ⎟ ⎜ ⎟ ⎝ LR" LR" ⎠ ⎝ ⎠ ⎛ ⎞ ⎛ ΨRY kS ⎞ +ψ 4⎜URY − RR⎜⎜ − ΨSY ⎟⎟ − (ω2 − pω)ΨRX ⎟ ⎜ ⎟ ⎝ LR" LR" ⎠ ⎝ ⎠ 1 +ψ5 ⋅ ⋅ (C ⋅ (ΨSYΨRX − ΨSX ΨRY) − MC) + J +ψ0 ⋅ (MZ − C(ΨSYΨRX − ΨSX ΨRY))2 , где ψ 1 , ψ 2 , ψ 3 , ψ 4 , ψ 5 , ψ 0 - составляющие ненулевой вектор - функции ψ . Условия трансверсальности дополнительно обеспечивают: ∂f 0 (Ψ S , Ψ R ,U S ,U R) L S " ⎧ = ⎪ψ 1 = ψ 0 ∂Ψ RX RS ⋅ k R ⎪ ⎪ 2CL S " = Ψ SY (M Z − M), ⎪ RS k R ⎪ ⎨ ⎪ψ = ψ ∂f 0 (Ψ S , Ψ R ,U S ,U R) L S " = 0 ⎪ 2 ∂Ψ RY RS ⋅ k R ⎪ 2CL S " ⎪ =− Ψ SX (M Z − M), ⎪ RS k R ⎩ 26 А.В. Григорьев Рис.1. Изменение составляющих вектора напряжения ротора МДП Рис.2. Изменение электромагнитного момента, частоты вращения и момента сопротивления двигателя Рис.3. Изменение токов статора и ротора двигателя Основным условием оптимальности процесса управления применительно к рассматриваемой задаче является : ψ × U = max (1) где U = - вектор управляющих воздействий. Если в качестве управляющих воздействий принимать частоту напряжения, подаваемого на Электротехнические комплексы и системы 27 Рис.4. Изменение амплитуд потокосцеплений статора и ротора ротор двигателя, то выражение (1) примет вид: 2CL S " Ψ SY (M Z − M)ω 2 + RS k R 2CL S " + Ψ SX (M Z − M)ω 2 = max RS k R откуда вытекает алгоритм управления МДП: (2) ⎧(M Z − M)(ΨSY + ΨSX) < 0, ω 2 = −ω 2 max , (3) ⎨ ⎩(M Z − M)(ΨSY + ΨSX) > 0, ω 2 = ω 2 max , Одной из возможных технических реализаций полученного способа управления является изменение чередования фаз на роторе. Полученный способ управления был апробирован на компьютерной модели, составленной средствами среды программирования Delphi 7. Для моделирования использовались параметры двигателя 4AHK355S4Y3 мощностью 315 кВт. Пуск двигателя моделировался нерегулируемый, нагрузка до t = 1 с – вентиляторная, после – пульсирующая, изменяющаяся по закону MC =2000 + 1000 sin(62.8t) Н×м. Результатом управления является поддержание электромагнитного момента на уровне MZ =2000 Н×м после момента времени t = 1,4 с. На рис.1 представлены изменения составляющих вектора напряжения в координатной системе α-β, неподвижной относительно статора. На рис.2 представлены графики электромагнитного момента, момента сопротивления и круговой частоты вращения двигателя. На рис.3 представлены графики модулей векторов токов статора и ротора двигателя, на рис.4 – графики модулей векторов потокосцеплений статора и ротора. На рис.2 - 4 видно, что поставленная задача Рис.5. Принципиальная электрическая схема МДП с преобразователем, осуществляющим изменение чередования фаз 28 А.В. Григорьев Рис.6. Принципиальная электрическая схема МДП с преобразователем, осуществляющим изменение чередования фаз и эквивалентные схемы трёхфазной цепи переменного тока выполнена, при этом происходит также стабилизация вектора потокосцепления статора на некотором допустимом уровне. Для реализации полученного способа управления можно использовать схему преобразователя, представленного на рис.5. Схема на рис.5 включает в себя всего 4 полностью управляемых элемента (транзисторы VT1..VT4) и 16 диодов (VD1..VD16), что выгодно отличает её от схем управления с преобразователями частоты, содержащими промежуточное звено постоянного тока и автономный инвертор напряжения, включающий 6 полностью управляемых элементов. Для упрощения принципиальной схемы можно трёхфазную цепь переменного тока заменить на эквивалентную ей двухфазную. Если в качестве линейных напряжений в эквивалентной схеме использовать фазные, т.е. необходимо иметь вывод средней точки трансформатора N, то изменение чередования фаз производится включением вместо фазы A источника питания фазы B так, как показано на рис.6. В случае использования преобразователя второго типа сокращается стоимость установки, но для его реализации необходимо иметь вывод средней точки трансформатора. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1, Чиликин М.Г., Сандлер А.С. Общий курс электропривода: Учебник для вузов. – 6-е изд., доп. и перераб. – М.: Энергоиздат, 1981. – 576 с. 2. Ещин Е.К. Электромеханические системы многодвигательных электроприводов. Моделирование и управление. – Кемерово: Кузбасский гос. техн. ун-т, 2003. – 247 с. 3. Теория автоматизированного электропривода / Ключев В.И., Чиликин М.Г., Сандлер А.С. – М.: Энергия, 1979 г., 616 с. 4. Понтрягин Л.С., Болтянский В.Г., Гамкрелидзе Р.В., Мищенко Е.Ф.Математическая теория оптимальных процессов.-4-е изд. -М.: Наука,1983. -392 c. Автор статьи: Григорьев Александр Васильевич - студент гр. ЭА-02