ГЛАВА 2
АНАЛИЗ РЕЖИМОВ РАБОТЫ И МАТЕМАТИЧЕСКИЕ
МОДЕЛИ СИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЙ С ЕМКОСТНЫМИ
НАКОПИТЕЛЯМИ ЭНЕРГИИ В КОНТУРЕ ВОЗБУЖДЕНИЯ
2.1. Общие положения
Синхронный электропривод с рассматриваемыми системами возбуждения представляет сложный электротехнический комплекс, включающий синхронный электродвигатель и систему возбуждения, в состав которой входят, кроме силового полупроводникового преобразователя, управляемые ключи, емкостные накопители энергии и резисторные элементы, а также комбинация их включения.
Исследование динамических и установившихся режимов подобных комплексов с учетом электромагнитных переходных процессов весьма сложно, так как собственно синхронный двигатель описывается системой нелинейных дифференциальных и алгебраических уравнений, решение которых практически невозможно без использования средств вычислительной техники. Применение преобразователей с емкостными накопителями энергии еще больше усложняет задачу исследований.
Для исследования переходных и установившихся режимов подобных комплексов необходима теория, основанная на рассмотрении последних как электромеханической системы, содержащей основную синхронную машину, полупроводниковый возбудитель и систему управления, обеспечивающую переменную структуру возбудителя в зависимости от режима работы комплекса СД-СВ.
Анализ приведенных в главе I литературных источников показывает, что в настоящее время отсутствуют работы, связанные с математическим описанием и исследованием СД с ЕНЭ в контуре возбуждения.
Поскольку в последние годы при непосредственном участии автора или под его руководством было разработано значительное количество вариантов устройств возбуждения с применением ЕНЭ [37-48, 50, 52-55, 57-64], то для проведения общего анализа, математического описания, исследования и расчета целесообразно выбрать такой вариант электротехнического комплекса СД-СВ, который бы наиболее полно отражал происходящие процессы с разработанными устройствами возбуждения. Исследованию отдельных режимов работ указанных комплексов СД-СВ посвящены следующие работы [113, 118-120, 128, 130, 145-185, 203, 204], однако необходима единая теория, позволяющая исследовать основные режимы работы подобных комплексов при включении в контур возбуждения емкостных накопителей энергии, резисторных и ключевых элементов. Кроме того, СД в указанных работах нигде не представлен как объект управления.
2.2. Реализация основных режимов работы синхронного двигателя с емкостным накопителем энергии в контуре возбуждения
Рассмотрим один из возможных вариантов электротехнического комплекса для математического описания (рис. 2.1), состоящий из явнополюсного СД с демпферной обмоткой, согласующего трансформатора TL, полупроводникового возбудителя UL с группой разделительных диодов VD1-VD3 и пускозащитной цепи (ПЗЦ), включающей пусковой резистор R1 и НЭ с электрической емкостью С и тиристорные ключи [113, 182].
Асинхронный пуск СД обеспечивается пускозащитной цепью, состоящей из резистора R1 и тиристоров VS1 и VS2, а также емкости С и тиристоров VS3 и VS4 при отключенном источнике зарядного напряжения UC и снятых импульсах управления блоком AUL с возбудителя UL.
При включенных тиристорах VS1 и VS2 имеет место традиционный пуск через резистор R1. При включенных тиристорах VS3 и VS4 происходит пуск с емкостным НЭ. При одновременном включении тиристоров VS1-VS4, происходит резисторно-конденсаторный пуск. При чем управление тиристорами пускозащитной цепи осуществляется в функции э.д.с. частоты скольжения ротора.
При синхронизации СД замыкается ключ КМ1 и на тиристоры UL подаются управляющие импульсы от системы управления AUL. Одновременно от возбудителя UL через тиристор VS4 происходит заряд НЭ С напряжением необходимой полярности, либо этот заряд обеспечивается от источника UC.
При гашении магнитного поля СД выключение возбудителя при снятых импульсах управления UL производится встречным напряжением или встречным током НЭ С, который через тиристор VS3 может подключаться параллельно возбудителю UL, либо через разделительные диоды VD1-VD3 параллельно катодной группе возбудителя. После запирания тиристоров воз-будителя НЭ разряжается по цепи: (+) С - обмотка возбуждения (ОВ) - тиристор VS3 - (-) C или (+) C - ОВ - тиристоры (или диоды) анодной группы UL - один из разделительных диодов VD1-VD3 - тиристор VS3-(-) C.
При достижении напряжением на конденсаторе С нулевого значения выключается тиристор VS3 и основное снижение тока возбуждения обычно происходит в контуре: ОВ - резистор R1 - тиристор VS1 - ОВ. В ряде случаев для интенсивного гашения поля СД может использоваться обратный разряд перезаряженного НЭ С через тиристор VS4 при отключенных тиристорах VS1 и VS2.
Для повышения устойчивости работы СД ряда ответственных механизмов с непрерывными технологическими процессами при глубоких крат-
ковременных посадках напряжения в питающей электросети или при приложении значительной ударной нагрузки на вал СД в данной СВ предусмотрена форсировка тока возбуждения путем разряда ЕНЭ в контуре возбуждения с одновременной подачей в этот контур форсированного напряжения от возбудителя UL. При этом управление возбуждением СД достигается изменением структуры силового преобразователя, который обеспечивает релейное управление напряжением в области значительных возмущений, а в области малых возмущений - автоматическое регулирование возбуждения (АРВ) в соответствии с требуемыми законами [86, 138].
Таким образом, в зависимости от режима работы электротехнического комплекса СД-СВ в контуре возбуждения могут быть включены ЕНЭ, резисторные и ключевые элементы в различных сочетаниях.
2.3. Особенности использования накопителей
энергии для управления синхронными двигателями
Под накопителем энергии понимается устройство, позволяющее накапливать энергию любого вида в течение периода заряда tз, а затем передавать значительную часть запасенной энерг