Выявление асинхронного режима и способ управления возбуждением синхронного электродвигателя

Обладая рядом преимуществ по сравнению с другими электродвигателями, синхронные двигатели получили достаточно широкое распространение в системах электроснабжения крупных промышленных предприятий. Кратковременные нарушения в системе внешнего электроснабжения промышленных предприятий, обусловленные короткими замыканиями и действием противоава-рийной автоматики, могут привести к возникновению асинхронного режима возбужденного синхронного электродвигателя. Появление асинхронного режима представляет опасность для электродвигателя, поскольку в таком режиме в двигателе возникают пульсации вращающего момента и токов, величины которых могут значительно превышать номинальные значения, что является частой причиной выхода из строя явнополюсных синхронных электродвигателей, используемых в качества привода шаровых мельниц [1]. При возникновении асинхронного режима на синхронных электродвигателях должна быть предусмотрена защита, выявляющая его появление и действующая на гашение поля ротора с последующей ресинхронизацией [2, 3]. В известных защитах от возникновения асинхронного режима в качестве пусковых органов, как правило, используются токи обмоток ротора и статора, величина угла между током и напряжением статора, направление реактивной мощности, а также сопротивление на выводах статора [2, 4]. Однако указанные пусковые органы способны выявить только потерю возбуждения синхронного электродвигателя и не способны обеспечить защиту при нарушении устойчивости. Для осуществления успешной ресинхронизации в режимах самозапуска необходима разгрузка приводимого агрегата [5, 6], что в условиях непрерывного производства является невозможным. Одним из путей обеспечения успешного самозапуска является циклическое управление системой возбуждения синхронного электродвигателя [7–9]. Однако приведенные способы либо требуют установки дополнительных датчиков на электродвигатели [7, 8], либо не эффективны в области малых скольжений [9].

Цель работы. Целью данной работы является совершенствование методов выявления асинхронного режима синхронного электродвигателя и управления его системой возбуждения для успешной ресинхронизации.

Разработка критериев выявления асинхронного режима и управления возбуждением синхронного двигателя

С помощью математической модели участка сети, которая представляет собой двухтрансформаторную подстанцию, питающую двигательную

Каталожные данные синхронного двигателя мощностью 2460 кВт Catalog data for a 2460 kW synchronous motor

Тип двигателя	I Н , A	n , об/мин	cosφ Н , о.е.	η Н , о.е.	I П , о.е.	М П , о.е.	М М , о.е.	I f Н , А	U f Н , В	Т f 0 , о.е
ДСЗ-2209	274	100	0,9	0,938	5,2	1,5	1,3	275	192	1,44

Рис. 1. Результаты моделирования асинхронного режима возбуждённого синхронного электродвигателя

Fig. 1. Simulation of the asynchronous mode of the excited synchronous motor

нагрузку в виде синхронных и асинхронных электродвигателей, выполним моделирование асинхронного режима синхронного двигателя мощностью 2460 кВт и напряжением статора 6 кВ. Подробное описание математической модели приведено в [10], а каталожные данные исследуемого двигателя представлены в таблице. На рис. 1 показаны результаты моделирования асинхронного режима возбуждённого синхронного электродвигателя.

Из рис. 1 видно, что возбужденный синхронный электродвигатель при номинальной нагрузке может переходить в асинхронный режим с малыми значениями скольжения и большой длительностью проворота ротора, равной нескольким секундам, и значительными скачками тока при каждом прово-роте ротора. В связи с этим возникает необходимость разработки высокочувствительной защиты для выявления асинхронного режима возбужденного синхронного двигателя.

Как видно из рис. 1, из-за несимметрии сопротивлений по продольной и поперечной осям ротора в асинхронном режиме возникают колебания не только токов статора, но и активной и реактивной мощностей. Поэтому в качестве критерия для выявления асинхронного режима возбужденного синхронного электродвигателя в работе предлагается использовать степенной полином отношения активной и реактивной мощностей.

Математически критерий выявления асинхронного режима описывается следующим выражением

К = W) ₊ /W ) A " ,                      ₍₁₎

p(t)     p(t) , где Q(t) - реактивная мощность синхронного электродвигателя;

P(t) - реактивная мощность синхронного электродвигателя;

тг - показатель степени, зависящий от типа синхронного двигателя, может быть принят в диапазоне от 1 до 2.

Для определения активной и реактивной мощностей синхронного электродвигателя на основе мгновенных значений токов и напряжений статора могут быть использованы формулы:

^р^) = ^((и а • i a + u _b • i _b + u_c • i c );          (2)

Q(^=^^ia+^^ib+™^c\ (3) где u _a ,u _b ,u _c - мгновенные значения напряжений статора;

i _a , i _b , i _c - мгновенные значения токов статора.

Второй член в выражении (1) учитывается только при переходе синхронного электродвигателя в режим потребления реактивной мощности и ее изменении при каждом провороте ротора.

На рис. 2 показан характер изменения критерия асинхронного режима возбужденного синхронного электродвигателя.

Рис. 2. Характер изменения критерия асинхронного режима возбужденного синхронного электродвигателя

Fig. 2. Changes to the criterion of the asynchronous mode of the excited synchronous motor

Из рис. 2 видно, что во время возникновения асинхронного режима возбужденного синхронного электродвигателя при каждом провороте ротора происходит уменьшение активной мощности и увеличение реактивной, что приводит к резкому увеличению значения критерия выявления асинхронного режима.

В этом случае возникновение асинхронного режима может быть определено по превышению значением критерия асинхронного режима заданной уставки, величина которой может быть принята в пределах от 2 до 2,5 о.е.

С целью исключения ложного срабатывания защиты от асинхронного режима при пуске синхронного электродвигателя действие защиты должно быть заблокировано до момента подачи возбуждения при пуске электродвигателя.

В связи с вышесказанным структурная схема защиты от появления асинхронного режима возбужденного синхронного электродвигателя имеет вид, показанный на рис. 3.

Предложенный критерий выявления асинхронного режима возбужденного синхронного электродвигателя наиболее точно описывает характер изменения угла вылета ротора, что делает возможным его использование для циклического

Рис. 3. Структурная схема защиты от асинхронного режима возбужденного синхронного двигателя

Fig. 3. Structural diagram of protection against the asynchronous mode of an excited synchronous motor

Рис. 4. График изменения критерия асинхронного режима и его производной при асинхронном режиме возбужденного двигателя Fig. 4. Graph of the criterion of the asynchronous mode and its derivative in the asynchronous mode of the excited engine

управления возбуждением синхронного электродвигателя в режимах ресинхронизации. Поэтому в данной работе в качестве критерия управления циклической подачей возбуждения в режиме ресинхронизации предлагается использовать производную критерия выявления асинхронного режима, которая может быть определена на основе нескольких выборок критерия по формуле

К - = ^(3^-^ ~ 1 ^{+ К}^’ (⁴) где h - шаг дискретизации;

ш - угловая частота измеряемого сигнала.

На рис. 4 показаны графики изменения критерия асинхронного режима и его производной при асинхронном режиме возбужденного синхронного электродвигателя.

Из приведенных на рис. 4 графиков видно, что производная критерия асинхронного режима при возникновении асинхронного режима возбужденного синхронного электродвигателя имеет меньшее запаздывание, чем сам критерий, и обладает более резким характером изменения.

Для обеспечения успешной ресинхронизации нагруженного синхронного электродвигателя и увеличения асинхронного момента в области малых скольжений в работе предлагается в зависи- мости от знака производной критерия асинхронного режима выполнять циклическое поочередное подключение обмотки возбуждения к добавочному сопротивлению и источнику напряжения возбуждения.

Работа алгоритма циклического управления возбуждением синхронного электродвигателя в режиме ресинхронизации заключается в следующем: при отрицательном значении производной критерия асинхронного режима обмотка возбуждения синхронного электродвигателя подключается к добавочному сопротивлению и после выхода на подсинхронную скорость в обмотку возбуждения подается номинальное напряжение возбуждения, а в случае превышения производной критерия асинхронного режима заданной уставки в обмотку возбуждения подается форсированное напряжение возбуждения.

Результаты математического моделирования

На рис. 5 приведены результаты математического моделирования циклического управления возбуждением синхронного электродвигателя в режиме ресинхронизации по предложенному в данной работе алгоритму.

Рис. 5. Результаты моделирования подачи возбуждения на синхронный двигатель в режиме ресинхронизации Fig. 5. Simulation results of excitation to a synchronous motor in the resynchronization mode

Рис. 6. Результаты моделирования пуска нагруженного синхронного электродвигателя

Fig. 6. Results of modeling the start of a loaded synchronous motor

Из рис. 5 видно, что применение предложенного критерия асинхронного режима для циклического управления возбуждением позволяет обеспечить успешную ресинхронизацию нагруженного синхронного электродвигателя, работающего в асинхронном режиме.

Также предложенный алгоритм циклического управления возбуждением синхронного электродвигателя может быть использован для синхронизации нагруженного синхронного электродвигателя в режиме пуска. Результаты математического моделирования такого режима приведены на рис. 6.

Из результатов моделирования, приведенных на рис. 6, видно, что разработанный алгоритм циклического управления возбуждением позволяет обеспечить успешную синхронизацию нагруженного синхронного электродвигателя в режиме пуска.

Как видно из рис. 5 и 6, в режимах циклического управления возбуждением синхронного двигателя величины тока возбуждения и токов статора не превышают пусковых значений и тем самым не оказывают отрицательного воздействия на обмотки электродвигателя и не снижают его общую надежность.

Выводы

• 1.    Предложен критерий выявления асинхронного режима возбужденного синхронного электродвигателя на основе степенного полинома из отношения степеней активной и реактивной мощностей, определяемых на основе измеряемых мгновенных значений токов и напряжений статора синхронного электродвигателя.

• 2.    Использование разработанного алгоритма циклического управления возбуждением синхронного электродвигателя на основе производной критерия асинхронного режима позволяет за счёт увеличения асинхронного момента обеспечить более легкие условия ресинхронизации и пуска нагруженных электродвигателей.

• 3.    Совместное использование предложенных алгоритмов выявления асинхронного режима возбужденного синхронного электродвигателя и алгоритма циклического управления возбуждением позволяют определить появление асинхронного режима и выполнить успешную ресинхронизацию нагруженного синхронного электродвигателя.