0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Частотный запуск синхронного двигателя

Частотный запуск синхронного двигателя

Если говорить простым языком, то синхронным называют электродвигатель, у которого скорость вращения ротора (вала) совпадает со скоростью вращения магнитного поля статора.

Кратко рассмотрим принцип действия такого электродвигателя — он основан на взаимодействии вращающегося магнитного поля статора, которое обычно создаётся трёхфазным переменным током и постоянного магнитного поля ротора.

Постоянное магнитное поле ротора создаётся за счет обмотки возбуждения или постоянных магнитов. Ток в обмотках статора создаёт вращающееся магнитное поле, тогда как ротор в рабочем режиме представляет собой постоянный магнит, его полюса устремляются к противоположным полюсам магнитного поля статора. В результате ротор вращается синхронно с полем статора, что и является его основной особенностью.

Напомним, что у асинхронного электродвигателя скорость вращения МП статора и скорость вращения ротора отличаются на величину скольжения, а его механическая характеристика «горбатая» с пиком при критическом скольжении (ниже его номинальной скорости вращения).

Скорость, с которой вращается магнитное поле статора, может быть вычислена по следующему уравнению:

f – частота тока в обмотке, Гц, p – количество пар полюсов.

Соответственно по этой же формуле определяется скорость вращения вала синхронного двигателя.

Большинство электродвигателей переменного тока, используемых на производстве, выполнены без постоянных магнитов, а с обмоткой возбуждения, тогда как маломощные синхронные двигатели переменного тока выполняются с постоянными магнитами на роторе.

Ток к обмотке возбуждения подводится за счет колец и щеточного узла. В отличие от коллекторного электродвигателя, где для передачи тока вращающейся катушке используется коллектор (набор продольно расположенных пластин), на синхронном установлены кольца поперек одного из концов статора.

Источником постоянного тока возбуждения в настоящее время являются тиристорные возбудители, часто называемые «ВТЕ» (по названию одной из серий таких устройств отечественного производства). Ранее использовалась система возбуждения «генератор-двигатель», когда на одном валу с двигателем устанавливали генератор (он же возбудитель), который через резисторы подавал ток в обмотку возбуждения.

Ротор почти всех синхронных двигателей постоянного тока выполняется без обмотки возбуждения, а с постоянными магнитами, они хоть и похожи по принципу действия на СД переменного тока, но по способу подключения и управления ими очень сильно отличаются от классических трёхфазных машин.

Одной из основных характеристик электродвигателя является механическая характеристика. Она у синхронных электродвигателей приближена к прямой горизонтальной линии. Это значит, что нагрузка на валу не влияет на его обороты (пока не достигнет какой-то критической величины).

Это достигается именно благодаря возбуждению постоянным током, поэтому синхронный электродвигатель отлично поддерживает постоянные обороты при изменяющихся нагрузках, перегрузках и при просадках напряжения (до определенного предела).

Ниже вы видите условное обозначение на схеме синхронной машины.

Конструкция электрических машин синхронного типа с постоянными магнитами

СДПМ состоит из подвижной (ротора) и неподвижной (статора) части. Исполнение ротора различается:

  • По установке магнитов. Они могут размещаться на поверхности (SPMSM ) и внутри (IPMSM) вращающегося узла. Роторы со встроенными магнитами применяются в двигателях, работающих при значительной нагрузке на валу и высоких скоростях. Стоимость таких роторов существенно выше.
  • По конструкции (явнополюсные и неявнополюсные роторы). Последние имеют равную индуктивность по осям горизонтальной плоскости. Роторы с явновыраженными полюсами имеют разное отношение индуктивности.

Постоянные магниты изготавливают из ферритов, сплавов редкоземельных металлов и других материалов с высокой коэрцитивной силой.

Статор синхронных электрических машин состоит из сердечника, набранного из листов электротехнической стали, и двух- или трехфазной обмотки. Различают статоры с распределенной и сосредоточенной обмоткой. Первая имеет различное положения витков в магнитном поле. Витки в сосредоточенных обмотках имеют одинаковое положение.

Сосредоточенная обмотка:

Распределенная обмотка:

Способы запуска

Существует 3 способа запуска синхронного двигателя:

  • использование дополнительного двигателя,
  • асинхронный запуск,
  • частотный запуск.

Для того, чтобы понять какой способ запуска применять, нужно разобраться с роторной конструкцией.

Он может быть выполнен с электромагнитным возбуждением, может состоять из постоянных магнитов, и может иметь комбинированную конструкцию. Кроме этого на роторе есть так называемая демпфирующая обмотка, помимо обмотки возбуждения. Такую короткозамкнутую обмотку называют еще «беличьей клеткой».

Использование дополнительного двигателя

Не самый популярный способ запуска, кроме того, не самый простой в плане технической реализации. Для того чтобы использовать такой способ, нужен еще один двигатель, его нужно присоединить к ротору электродвигателя.

Еще один двигатель нужен для того, чтобы скорость ротора соответствовала полю статора, то есть добиться синхронной скорости. Следующим этапом на обмотку возбуждения ротора будет подаваться постоянное напряжение.

Подача напряжения на обмотку статора выполняется при помощи рубильника, и контролировать процесс мы будем благодаря лампочкам, которые включаются одновременно с рубильником. Рубильник нужно выключить.

Сначала лампочки начнут мигать, но как только номинальные обороты будут достигнуты, лампочки перестанут гореть. Дальше подается напряжение на обмотки статора, а наш синхронный двигатель продолжит работу самостоятельно.

Второй дополнительный разгонный двигатель нужно отключить от сети, иногда необходимо механическое отсоединение.

Читать еще:  Что такое природный двигатель

Асинхронный запуск

Этот метод используется чаще всего, возможность использовать такой способ появилась после того, как была изменена конструкция ротора.

Основное преимущество такого метода, это то, что нам не понадобится дополнительно оборудование, так как конструкция ротора содержит в себе короткозамкнутые стержни демпфирующей обмотки, и это позволит нам осуществить асинхронный режим для запуска.

Разгон электродвигателя будет асинхронным, запускаться он будет тогда, когда на статор будет подано напряжение. Как только будет достигнута необходимая скорость, включится обмотка возбуждения.

Чем больше будет расти скорость оборотов, во время пуска в обмотке возбуждения, тем больше будет расти напряжение.

При этом возникнет магнитный поток, он будет влиять на электроток статора, а также возникнет подавляющий момент, который может спровоцировать остановку ротора.

Чтобы уменьшить нежелательное влияние, нам понадобится резистор (либо разрядный, либо компенсационный), мы соединим его с обмоткой возбуждения.

Такие резисторы имеют форму громоздких боксов, в которых спирали из стали выполняют функцию резистивных элементов.

Это нужно делать обязательно, так, как существует риск поломки благодаря растущему напряжению.

После того, как будет достигнута под синхронная частота вращения, резистор будет отключен от обмотки возбуждения.

Дальше при помощи генератора, либо тиристорного возбудителя (ВТЕ, либо ТВУ и тд., зависит от серии), на обмотку пойдет постоянное напряжение. После этого двигатель перейдет в синхронный режим.

Помимо тех плюсов, которые мы описали выше, так же нужно понимать и недостатки такого запуска.

Главное – это значительные пусковые токи, которые могут стать причиной просадки напряжения питающей сети. Если такое случится, остальные синхронные машины, которые задействованы на той же линии, могут остановиться.

В такой ситуации сработают защитные функции из-за низкого напряжения. Чтобы избежать такой ситуации, понадобятся компенсационные устройства, которые мы подключим к цепи обмоток статора, таким образом мы ограничим пусковые токи.

  1. Дополнительные реакторы либо резисторы для ограничения пусковых токов. Когда произойдет разгон, они шунтируются, и сетевое напряжение пойдет на обмотки статора.
  2. Автотрансформаторы. Их можно применять, чтобы понизить напряжение на входе.

Как только будет достигнута скорость оборотов, не менее 95-97 процентов, будет выполнено переключение. Автотрансформаторы будут отключены, при этом на обмотки будет подано напряжение сети переменного тока. После этого двигатель начнет работать синхронно.

Данный метод используют не часто, он достаточно дорогой, и емкий по техническим параметрам. Кроме того, трансформаторы очень часто могут ломаться.

Частотный запуск

Если необходимо запустить мощные агрегаты от 1 до 10 МВт, используется еще один метод запуска для синхронных двигателей — это так называемый частотный запуск. Устройства для частотного запуска, как правило, имеют стандартное напряжение от 6 до 10 Кв.

Применяется такой запуск и в легком режиме (используя вентиляторную нагрузку), и в режиме тяжелого пуска (задействуется привод шаровых мельниц). В таких случаях используется специальное устройство.

На схеме показан наглядный образец приспособления с очень плавным запуском: когда двигатель будет запущен, устройство включится, дальше будет выведено из схемы, и в результате двигатель будет напрямую подключен к сети.

Это точно такая же система, как у низковольтных и высоковольтных устройств, которые работают по схеме частотного преобразования.

При таком принципе можно запустить несколько двигателей благодаря одному устройству, а пусковой момент будет при этом доходить до 100%.

Системы возбуждения

Современные приспособления, предназначенные для контроля уровня возбуждения – это тиристорные возбудители ВТЕ.

Несмотря на то, что еще совсем недавно для этого использовали генератор независимого возбуждения, сегодня они перестали быть актуальными. Давайте рассмотрим функции тиристорных возбудителей ВТЕ:

  • создают необходимый режим для пуска синхронного двигателя;
  • поддерживают параметры тока возбуждения;
  • ограничивают крайние уровни тока, автоматом регулируют напряжение возбуждения, если возникает нагрузка;
  • в случае, если питающий ток будет понижен, они моментально увеличивают ток возбуждения;
  • если отключится питающая сеть, они мгновенно гасят поле ротора;
  • в случае проблем с изоляцией, оповещают о проблеме;
  • проверяют состояние обмотки возбуждения, если двигатель не работает;
  • осуществляют асинхронный и синхронный запуск, при работе высоковольтным частотным преобразованием.

Все эти функции говорят о надежности подобных систем возбуждения. Ну а главный их минус – это дорогостоящее оборудование.

Подводя итоги нашего обзора отметим, что асинхронный способ запуска на сегодня самый популярный, запуск с дополнительным электродвигателем практически никем не используется, частотный запуск эффективный, но имеет очень высокую цену.

Системы частотного регулирования с синхронными электродвигателями

В отечественных электроустановках часто используются синхронные двигатели с независимой обмоткой возбуждения (как низковольтные, так и высоковольтные). С точки зрения построения системы частотного регулирования это означает необходимость организации скоординированного управления параметрами обмотки «статора» и «ротора» («якоря» и «индуктора» в терминах синхронных машин).

Пример. Структура СЧР с двумя высоковольтными синхронными двигателями.

В проектах Инженерного центра «АРТ» это решается установкой цифрового возбудителя и щита управления на базе свободно программируемого контроллера.

Преобразователи частоты и фильтры СЧР с синхронными двигателями.

Цифровой возбудитель в составе СЧР с синхронными двигателями.

Под управлением контроллера осуществляются пуск двигателя, регулирование скорости привода, регулирование тока возбуждения с учетом U-образной характеристики, электрические защиты и др.

Оборудование поста управления СЧР с синхронными двигателями.

В низковольтных СЧР или в системах с высоковольтными преобразователями частоты пуск происходит в синхронном режиме. В двухтрансформаторных схемах разгон до частоты 10 – 15 Гц осуществляется в асинхронном режиме, а затем контроллер подключает возбудитель и машина втягивается в синхронизм. Далее регулирование скорости выполняется по технологическим алгоритмам аналогично приводам с асинхронными двигателями.

Электрические и технологические защиты выполняет контроллер поста управления СЧР.

Преимущества систем частотного регулирования с синхронными электродвигателями.

  • Возможность использования существующего парка синхронных машин.
  • Благоприятные условия пуска синхронной машины в частотном режиме.
  • Высокие энергетические показатели (за счет КПД синхронного двигателя).
  • Высокая перегрузочная способность двигателя.
  • Высокая точность поддержания скорости синхронной машины.

Предложения Инженерного центра «АРТ» по системам частотного регулирования с синхронными электродвигателями.

Поставляем системы частотного регулирования с синхронными электродвигателями:

  • с постоянными магнитами и с независимым возбуждением;
  • мощностью до 2,5 МВт с низковольтными электродвигателями и до 10 МВт с высоковольтными электродвигателями;
  • с высоковольтными преобразователями частоты и с «двухтрансформаторные» схемами включения;
  • с цифровыми возбудителями и с системой управления магнитным потоком машины.

Предлагаем Вам:

  • разработку решения по управлению синхронными двигателями (как новыми, так и существующими, с разными системами возбуждения), в том числе модернизацию или замену возбудителя;
  • выбор топологии преобразователей (высоковольтные, низковольтные или «двухтрансформаторные» схемы);
  • разработку алгоритмов управления возбудителем при пуске и в установившихся режимах;
  • разработку решений по АПВ, АВР и работе без преобразователей частоты;
  • полный комплекс работ по созданию системы, включая настройку U-образной характеристики.

Пуск синхронного двигателя

Как мы показали выше, синхронное вращение ротора обеспечивается магнитным сцеплением полюсов ротора с вращающимся магнитным полем статора. В первый момент пуска двигателя вращающееся магнитное поле статора возникает практически мгновенно. Ротор же, обладая значительной инерционной массой, прийти в синхронное вращение сразу не сможет. Его надо разогнать до подсинхронной скорости каким-то дополнительным устройством.

Долгое время роль разгонного двигателя играл обычный асинхронный двигатель, механически соединенный с синхронным. Ротор синхронного двигателя приводится во вращение до подсинхронной скорости. Далее двигатель сам втягивается в синхронизм. Обычно мощность пускового двигателя составляет 5-15 % от мощности синхронного двигателя. Это позволяет пускать в ход синхронный двигатель только вхолостую или при малой нагрузке на валу.

Применение пускового двигателя мощностью, достаточной для пуска синхронного двигателя под нагрузкой делает такую установку громоздкой и дорогой. В последнее время используется так называемая система асинхронного пуска синхронных двигателей. С этой целью в полюсные наконечники забивают стержни, напоминающие собою короткозамкнутую обмотку асинхронного двигателя.

Система асинхронного пуска синхронного двигателя

В начальный период пуска синхронный двигатель работает как асинхронный, а в последующем — как синхронный. В целях безопасности обмотку возбуждения в начальном периоде пуска закорачивают, а на заключительном подключают к источнику постоянного тока.

Тиристорные устройства частотного безударного пуска серии УБПВД-С

Назначение

Устройство серии УБПВД-С обеспечивают плавный частотный пуск высоковольтных синхронных электродвигателей, приводящих в движение механизмы со статической нагрузкой на валу или с тяжелыми условиями пуска, такими как шаровые мельницы, конвейеры, вентиляторы с большими инерционными массами и др.

Устройства обеспечивают пуск одиночного двигателя, а также возможен пуск одним устройством нескольких двигателей путем поочередного подключения его к запускаемым двигателям.

Они выполнены по схеме с зависимым тиристорным инвертором тока и обеспечивают:

  • пусковой момент двигателя до 1,3Мномном– номинальный момент двигателя);
  • частотное регулирование с плавным повышением скорости, автоматическим поддержанием необходимого момента на валу двигателя и током потребления не более 1,5 Iном.

Двигатель запускается в режиме регулирования частоты с включенным возбуждением. До частоты 5 Гц осуществляется принудительная коммутация тиристоров инвертора UZ прерыванием тока тиристорами выпрямителя U. В дальнейшем ЭДС двигателя становится достаточной для коммутации тиристоров инвертора, и последний переходит в режим естественной коммутации. Увеличением напряжения выпрямителя и частоты тока двигатель разгоняется до синхронной скорости, и после синхронизации ЭДС двигателя и напряжения сети включается быстродействующий выключатель Qш, подключая двигатель к сети через токоограничивающий реактор РТ, шунтируя устройство УБПВД-С. Реакторы РТ и РС поставляются комплектно с устройством.

Защиты

  • максимально-токовая;
  • время-токовая;
  • от превышения заданного времени пуска двигателя;
  • от обрыва фазы главных цепей и неполнофазного пуска;
  • от неисправности тиристоров;
  • от неисправности устройств формирования импульсов управления тиристорами;
  • от повышения и понижения напряжения в силовой сети;
  • от неисправности вторичных источников питания;
  • от неправильного чередования фаз силовой сети.

В устройствах серии УБПВД-С реализованы функции логического контроллера и возможность программных заданий настроек параметров устройства. Пользователь может осуществлять программную коррекцию регуляторов, выбирать кривую пуска, ограничение тока, время разгона, аварийный останов и формировать траекторию торможения по желанию Заказчика.

Алгоритмические решения дискретного и параметрического управления насосными агрегатами в функции давления в трубопроводе и отличительные особенности разработанного устройства УБПВД-С являются оптимальными для применения в системах плавного пуска и регулирования насосных агрегатов.

Система регулирования скорости на базе устройства УБПВД-С с зависимым инвертором тока, в котором используются тиристоры с фазовым управлением, в 3-5 раз дешевле преобразователей частоты на базе IGBT или IGCT приборов, менее сложная, а следовательно, более надежная и простая в эксплуатации.

Устройства УБПВД-С защищены свидетельством на полезную модель (Сертификат соответствия № ССВЭ RU.МО64.Н.01221), в части воздействия механических факторов внешней среды соответствуют группе условий эксплуатации М1 (степень жесткости 1) по ГОСТ 17516.1 и выдерживают вибрацию с частотой от 0,5 до 35 Гц при ускорении не более 4,9 м/с 2 .

Схема зависимого тиристорного инвертора тока УБПВД-С

Пример системы безударного пуска на базе УБПВД-С.

Система безударного пуска 4-х синхронных электродвигателей механизмов с тяжелыми условиями пуска и нагрузкой, не зависящей от скорости вращения на базе устройства УБПВД-С, состоит из: штатных рабочих выключателей Q1…Q4, головных пусковых выключателей QF1 и QF2 и двух шкафов ШКА1 и ШКА2 с выдвижными вакуумными выключателями QS1…QS4 и шкафа шунтирующего выключателя ШШВ. Управление системой осуществляется с пульта управления ПУ через шкаф контроллера ШК.

Система безударного пуска предусматривает все необходимые блокировки, обеспечивающие безаварийную и безопасную работы системы (контроль положения коммутационной аппаратуры, дверей высоковольтных камер, последовательность и правильность пусковых операций и др.).

Все сигналы вводятся в программируемый контроллер, под управлением которого происходит пуск. После получения команд «Готовность агрегата» и «Пуск» включаются соответствующие запускаемому электродвигателю пусковой выключатель QS, головной выключатель QF и возбудитель. Производится самодиагностика системы, и контроллером выдается команда на разгон двигателя. При достижении им синхронной скорости и фиксации допустимого угла сдвига между ЭДС двигателя и напряжением сети включается шунтирующий выключатель Qш, и двигатель подключается к сети через токоограничивающий реактор РТ. В дальнейшем включается рабочий выключатель Q, шунтируя реактор и подключая двигатель непосредственно к сети. Отключаются QF, Qш и QS. Система готова к следующему пуску.

Структура условного обозначения

Технические характеристики устройств УБПВД-С

(8352) 39-00-10, 39-00-12

Каталог «Преобразовательная техника» 2.9 Mb

Разновидности синхронных машин [ править | править код ]

Гидрогенератор — явнополюсный синхронный генератор, предназначенный для выработки электрической энергии в работе от гидравлической турбины (при низких скоростях вращения, 50 — 600 мин –1 ).

Турбогенератор — неявнополюсный синхронный генератор, предназначенный для выработки электрической энергии в работе от паровой или газовой турбины при высоких скоростях вращения ротора — 6000 (редко), 3000, 1500 об/мин.

Синхронный компенсатор — синхронный двигатель, предназначенный для выработки реактивной мощности, работающий без нагрузки на валу (в режиме холостого хода); при этом по обмотке якоря проходит практически только реактивный ток. Синхронный компенсатор может работать в режиме улучшения коэффициента мощности или в режиме стабилизации напряжения. Дает индуктивную нагрузку.

Машина двойного питания (в частности АСМ) — синхронная машина с питанием обмоток ротора и статора токами разной частоты, за счёт чего создаются несинхронные режимы работы.

Ударный генератор — синхронный генератор (как правило, трёхфазного тока), предназначенный для кратковременной работы в режиме короткого замыкания (КЗ).

Сельсин — маломощная синхронная машина, используемая как датчик угла поворота либо в паре с другим сельсином для передачи угла поворота без прямой механической связи.

Также существуют безредукторные, шаговые, индукторные, гистерезисные, бесконтактные синхронные двигатели.

Бесконтактная синхронная машина [ править | править код ]

В классической синхронной машине имеется слабое место — контактные кольца со щётками, изнашивающиеся быстрее других частей машины из-за электроэрозии и простого механического износа. Кроме того, искрение щёток может стать причиной взрыва. Поэтому сначала в авиации, а позже и в других областях (в частности, на автономных дизель-генераторах) получили распространение бесконтактные трёхмашинные синхронные генераторы. В корпусе такого агрегата размещены три машины — подвозбудитель, возбудитель и генератор, их роторы вращаются на общем валу. Подвозбудитель — синхронный генератор с возбуждением от вращающихся на роторе постоянных магнитов, его напряжение подаётся в блок управления генератором, где выпрямляется, регулируется и подаётся в обмотку статора возбудителя. Поле статора наводит в обмотке возбудителя ток, выпрямляемый размещённым на валу блоком вращающихся выпрямителей (БВВ) и идущий в обмотку возбуждения генератора. Генератор уже вырабатывает ток, идущий к потребителям.

Такая схема обеспечивает как отсутствие иных механических частей в двигателе, кроме подшипников, так и автономность работы генератора — всё время, пока генератор вращается, подвозбудитель даёт напряжение, которое может быть использовано для питания цепей управления генератором.

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector