5.4. Схемы управления сд

а)ПускисинхронизацияСД

По условиям, которые могут иметь место при работе синхронного привода, различают легкий и тяжелый пуск СД. Легкий пуск СД осуществляется при малых моментах нагрузки и моментах инерции и является наиболее благоприятным в отношении синхронизации СД с сетью. Тяжелый пуск имеет место при относительно больших моментах нагрузки и инерции. В этом случае для синхронизации СД требуется значительный входной момент СД и его синхронизация с сетью усложняется.

При пуске СД используются два основных способа его возбуждения. При относительно небольших моментах нагрузки (М_с<0,4М_ном) обмотка возбуждения СД в течение всего времени пуска постоянно (глухо) подключена к источнику возбуждения – возбудителю, который в процессе пуска самовозбуждается и обеспечивает втягивание СД в синхронизм в конце пуска.

При пуске СД с относительно большими моментами нагрузки (М_с>0,4М_ном) обмотка возбуждения СД вначале замыкается через активный резистор (в качестве которого может использоваться разрядный резистор обмотки возбуждения), а при достижении СД подсинхронной скорости обмотка возбуждения подключается к возбудителю.

Кроме различных способов подключения обмотки возбуждения пуск СД может осуществляться при полном или пониженном напряжении сети. В большинстве случаев СД мощностью до нескольких сотен киловатт, а иногда и более пускаются прямым подключением, к сети. Кратность пускового тока I_п/I_номпри прямом пуске 4–5.

При пуске СД большей мощности (несколько тысяч киловатт) возникает необходимость ограничения пусковых токов, что достигается чаще всего использованием реакторов или автотрансформаторов.

Схема статорной цепи при реакторном пуске СД приведена на рис. 5.7, а. Порядок включения СД следующий. Вначале включается выключательQF1при отключенном выключателеQF2и происходит пуск СД с реакторомLв цепи статора. При достижении СД подсинхронной скорости включается выключательQF2и шунтирует реакторL, в результате чего СД оказывается подключенным на полное напряжение сети. Автоматизация пуска осуществляется обычно в функции времени. В некоторых случаях вместо реактораLприменяются активные резисторы.

Схема включения СД при использовании автотрансформатора Тпоказана на рис. 5.7,б. При пуске вначале замыкаются выключателиQF3иQF1и СД оказывается включенным на пониженное напряжение. При достижении им подсинхронной скорости отключается выключательQF3, включаетсяQF2и СД подключается непосредственно на выводы питающей сети.

Сопоставление двух схем рис. 5.7 ограничения пусковых токов питающей сети показывает, что при автотрансформаторном пуске этот ток снижается пропорционально квадрату отношения напряжений СД и сети (U_д/U_с)², а при реакторном – первой степени этого отношения. Тем самым автотрансформаторный способ пуска позволяет в большей степени снизить ток, потребляемый СД из сети при пуске. Вместе с тем схема рис. 5.7,боказывается более сложной, дорогой и менее надежной по сравнению со схемой рис. 5.7,а, поэтому она на практике применяется реже.

На рис. 5.8 показан узел схемы управления, обеспечивающей прямой пуск СД низкого напряжения с глухоподключенным возбудителем. Включение СД осуществляется нажатием кнопки SB1, после чего включается линейный контакторKМ, иСДначинает разгоняться.

Сопротивление резистора Rв обмотке возбужденияОВГвозбудителя выбирается таким образом, что его самовозбуждение происходит при подсинхронной скорости, что позволяет снизить броски тока в статоре при синхронизации СД с сетью.

В схеме рис. 5.8 предусмотрено форсирование возбуждения СД при снижении напряжения сети. Для этого в схему введены реле минимального напряжения KVи контактор форсировкиKМ1, контакты которого включены параллельно резисторуR. При снижении напряжения сети ниже установленного уровня релеKVотключается и замыкает свой контакт в цепи контактораKМ1. Последний, сработав, шунтирует резисторR, за счет чего происходит увеличение тока возбуждения СД. При восстановлении напряжения релеKVвновь срабатывает и отключаетKМ1.

б)СхемауправлениянизковольтнымСД

На рис. 5.9 приведена схема автоматического пуска и останова СД, соответствующая серийно выпускаемой станции управления тина ПН 7401. Такие схемы используются для СД мощностью от 50 до 400 кВт, имеющих номинальные напряжения статора 220, 380 или 500 В.

В состав схемы входит следующая аппаратура: контакторы ускорения KМ1, линейныйKМ2, возбужденияKМ3, форсировкиKМ4; реле пусковое токовоеKS, включенное на выход трансформатора токаТА, форсировкиKU, времениKТ1,KТ2; резисторы пусковойR1, возбужденияR2и разрядныйR3, кнопки пускаSB1и остановаSB2; автоматические выключателиSFиQF; выпрямительV; лампы сигнальныеHL1,HL2,HL3; резисторы вспомогательныеR4–R7.

Пуск СД осуществляется нажатием кнопки SB1, после чего включается контакторKМ1и СД подключается к сети через пусковой резисторR1. Вследствие броска пускового тока сработает релеKS, которое, в свою очередь, вызовет включение реле времениKТ1иKТ2, подготавливающих к включению цепь линейного контактораKМ2. Происходит разбег СД с введенным в цепь его обмотки возбуждения резисторомR3(контакторKМЗотключен контактами контактораKМ2и релеKТ2).

При снижении тока в статоре СД ниже уставки реле KSпроисходит его отпускание и реле времениKТ1теряет питание. В результате этого через некоторый интервал времени, соответствующий выдержке времени этого реле, включится контакторKМ2; обеспечивая прямое подключение СД к питающей сети.

Реле времени KТ2, потеряв питание через некоторое время после отключенияKТ1, с выдержкой времени осуществит включение контактора возбужденияKМ3. КонтакторKМ3зашунтирует резисторR3в цепи обмотки возбуждения СД, что приведет к его возбуждению и втягиванию в синхронизм. Одновременно включениеKМ3приведет к отключению контактораKМ1и релеKS.

Форсирование возбуждения СД, выполненное с помощью аппаратов KU,KМ4и резистораR2, осуществляется по полной аналогии со схемой рис. 5.8.

В схеме рис. 5.9 предусмотрены следующие защиты: максимальная, тепловая и от работы в асинхронном режиме, осуществляемые с помощью автоматического выключателя QF; нулевая, реализуемая линейным контакторомKМ2; максимальная в цепях управления, обеспечиваемая выключателемSF.

Если сеть и СД допускают прямой пуск, то узлы схемы с контактором KМ1и резисторомR1исключаются. При небольших моментах нагрузки двигателя (M_с<0,4М_ном) может быть реализован пуск с глухоподключенным возбудителем, для чего из схемы рис. 5.9 исключаются узлы, обведенные штрихпунктирной линией, и выполняются дополнительные соединения, показанные штриховой линией.

Лампы HL1,HL2,HL3осуществляют сигнализацию о положении контакторовKМ1–KМ4.

в)СхемауправленияСДстиристорнымвозбуждением

Рассмотренные схемы предусматривали возбуждение СД от электромашинного возбудителя, установленного с ним на одном валу. Такой способ возбуждения характеризуется определенными недостатками, к числу которых относятся инерционность процесса регулирования тока возбуждения СД (постоянная времени возбудителей достигает нескольких десятых долей секунды), усложнение механической части привода и ее повышенные габариты и масса.

При необходимости быстрого регулирования тока возбуждения, что требуется, например, при ударном приложении нагрузки или значительном падении напряжения сети, в современных синхронных приводах применяются тиристорные возбудители (ТВ). Они позволяют резко повысить быстродействие систем регулирования возбуждения (постоянная времени ТВ составляет 0,005–0,01 с), упростить процесс автоматизации регулирования возбуждения СД. Тиристорные возбудители, кроме того, бесшумны в работе, не требуют установки специального фундамента и более просты в эксплуатации.

Недостатком ТВ является более низкий коэффициент мощности, чем у электромашинных возбудителей. Однако этот фактор не является существенным, так как мощность ТВ составляет обычно несколько процентов мощности СД, а сам СД может обеспечить повышение cosдо необходимого уровня.

На рис. 5.10 приведена упрощенная схема синхронного высоковольтного электропривода с ТВ, выполненным по трехфазной нулевой схеме выпрямления. В состав схемы входят: трансформаторы Т2питания ТВ,Т1питания блока управления ТВ,ТАпитания катушки токового релеKА; реле времениKТ1иKТ2, промежуточноеKV, инверторного режимаKV1; контакторK, предназначенный для включения СД вентилятора охлаждения ТВ (на схеме не показан); выпрямительV; разрядный резисторR_p. Коммутация силовой части схемы рис. 5.10 осуществляется масляным выключателемQFи разъединителямиQS1иQS2, а схемы управления – автоматическим выключателемQF1. На схеме не показаны цепи сигнализации, а блок управления тиристорным возбудителемБУТВпредставлен упрощенно.

Перед пускам СД включаются разъединители QS1,QS2, выключательQF1и трансформаторТ2. Пуск СД осуществляется включением выключателяQF, в результате чего статор СД подключается к сети, а ТВ вследствие срабатывания контактораK, включающего двигатель вентилятора, начинает охлаждаться.

Включение аппаратов QFиKМприведет к срабатыванию релеKТ2иKV1, а бросок пускового тока вызовет включение релеKАи реле времениKТ1. По мере разгона СД происходит снижение тока в статоре, и при некотором его значении отключается реле, которое своим контактом разрывает цепь питанияKТ1. Последнее, отсчитав свою выдержку времени, замыкает свой контакт в цепи питания релеKVи вызывает его включение. В результате срабатывания этого релеБУТВначинает подавать управляющие импульсы на тиристоры ТВ, те откроются, в обмотку возбуждения двигателя подается ток и он втягивается в синхронизм. РелеKV, включившись, обеспечивает также питание своей катушки и катушки контактораKМ.

При отключении выключателя QFтеряют питание релеKТ2иKV1. РелеKV1воздействует своим контактом наБУТВ, который переводитТВв режим инвертора, обеспечивая тем самым гашение магнитного поля двигателя. После гашения магнитного поля, время которого соответствует выдержке времениKТ2, последнее размыкает свой контакт в цепи релеKV. Отключение релеKVприведет к закрытию тиристоров ТВ и отключению двигателя вентилятора, в результате чего схема вернется в исходное положение.

Отметим, что в данной схеме БУТВпозволяет обеспечивать автоматическое регулирование тока возбуждения СД.

г)РегулированиескоростиСД

Как уже отмечалось, СД применяется главным образом в электроприводе рабочих машин и механизмов, не требующих регулирования координат своего движения. Вместе с тем серийный выпуск статических ПЧ создал предпосылки для использования частотного способа регулирования скорости СД.

По своим принципам построения и структуре частотно-управляемый синхронный электропривод мало отличается от асинхронного. В то же время он имеет ряд специфических свойств, а именно, постоянство скорости независимо от момента нагрузки во всем диапазоне регулирования скорости, высокая точность синхронного движения нескольких исполнительских органов; менее резкое (по сравнению с АД) снижение перегрузочной способности привода при уменьшении напряжения сети, большие значения моментов при малых скоростях, получаемые за счет соответствующего регулирования напряжения и тока возбуждения. Свое развитие синхронный регулируемый электропривод нашел в реализации схем так называемого вентильного двигателя, который рассматривается в § 6.3.