Схемы управления сд

а) Пуск и синхронизация СД

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_ном при 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 выключатель QF1 при отключенном выключателе QF2 и происходит пуск СД с реактором L в цепи статора. При достижении СД подсинхронной скорости включается выключатель QF2 и шунтирует реактор L, в результате чего СД оказывается подключенным на полное напряжение сети. Автоматизация пуска осуществляется обычно в функции времени. В некоторых случаях вместо реактора L применяются активные резисторы.

Схема включения СД при использовании автотрансформатора Т показана на рис. 5.7, б. При пуске вначале замыкаются выключатели QF3 и QF1 и СД оказывается включенным на пониженное напряжение. При достижении им подсинхронной скорости отключается выключатель QF3, включается QF2 и 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, б оказывается 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 контактор KМ, и СД начинает разгоняться.

Сопротивление резистора R в обмотке возбуждения ОВГ возбудителя 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 KV и контактор форсировки KМ1, контакты которого включены параллельно резистору R. При снижении напряжения сети ниже установленного уровня реле KV отключается и замыкает свой контакт в цепи контактора KМ1. Последний, сработав, шунтирует резистор R, за счет чего происходит увеличение тока возбуждения СД. При восстановлении напряжения реле KV вновь срабатывает и отключает KМ1.

б) Схема управления низковольтным СД

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, линейный KМ2, возбуждения KМ3, форсировки KМ4; реле пусковое токовое KS, включенное на выход трансформатора тока ТА, форсировки KU, времени KТ1, KТ2; резисторы пусковой R1, возбуждения R2 и разрядный R3, кнопки пуска SB1 и останова SB2; автоматические выключатели SF и QF; выпрямитель V; лампы сигнальные HL1, HL2, HL3; резисторы вспомогательные R4-R7.

Пуск СД осуществляется нажатием кнопки SB1, после чего включается контактор KМ1 и СД подключается к сети через пусковой резистор R1. Вследствие броска пускового тока сработает реле KS, которое, в свою очередь, вызовет включение реле времени KТ1 и KТ2, подготавливающих к включению цепь линейного контактора KМ2. Происходит разбег СД с введенным в цепь его обмотки возбуждения резистором R3 (контактор KМЗ отключен контактами контактора KМ2 и реле KТ2).

При снижении тока в статоре СД ниже уставки реле KS происходит его отпускание и реле времени KТ1 теряет питание. В результате этого через некоторый интервал времени, соответствующий выдержке времени этого реле, включится контактор KМ2; обеспечивая прямое подключение СД к питающей сети.

Реле времени KТ2, потеряв питание через некоторое время после отключения KТ1, с выдержкой времени осуществит включение контактора возбуждения KМ3. Контактор KМ3 зашунтирует резистор R3 в цепи обмотки возбуждения СД, что приведет к его возбуждению и втягиванию в синхронизм. Одновременно включение KМ3 приведет к отключению контактора KМ1 и реле KS.

Форсирование возбуждения СД, выполненное с помощью аппаратов KU, KМ4 и резистора R2, 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 контактором KМ2; максимальная в цепях управления, обеспечиваемая выключателем SF.

Если сеть и СД допускают прямой пуск, то узлы схемы с контактором KМ1 и резистором R1 исключаются. 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, HL3 осуществляют сигнализацию о положении контакторов KМ1-KМ4.

в) Схема управления СД с тиристорным возбуждением

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 Т2 питания ТВ, Т1 питания блока управления ТВ, ТА питания катушки токового реле KА; реле времени KТ1 и KТ2, промежуточное KV, инверторного режима KV1; контактор K, предназначенный для включения СД вентилятора охлаждения ТВ (на схеме не показан); выпрямитель V; разрядный резистор R_p. Коммутация силовой части схемы рис. 5.10 осуществляется масляным выключателем QF и разъединителями QS1 и QS2, а схемы управления — автоматическим выключателем QF1. На схеме не показаны цепи сигнализации, а блок управления тиристорным возбудителем БУТВ представлен упрощенно.

Перед пускам СД включаются разъединители QS1, QS2, выключатель QF1 и трансформатор Т2. Пуск СД осуществляется включением выключателя QF, в результате чего статор СД подключается к сети, а ТВ вследствие срабатывания контактора K, включающего двигатель вентилятора, начинает охлаждаться.

Включение аппаратов QF и KМ приведет к срабатыванию реле KТ2 и KV1, а бросок пускового тока вызовет включение реле KА и реле времени KТ1. По мере разгона СД происходит снижение тока в статоре, и при некотором его значении отключается реле, которое своим контактом разрывает цепь питания KТ1. Последнее, отсчитав свою выдержку времени, замыкает свой контакт в цепи питания реле KV и вызывает его включение. В результате срабатывания этого реле БУТВ начинает подавать управляющие импульсы на тиристоры ТВ, те откроются, в обмотку возбуждения двигателя подается ток и он втягивается в синхронизм. Реле KV, включившись, обеспечивает также питание своей катушки и катушки контактора KМ.

При отключении выключателя QF теряют питание реле KТ2 и KV1. Реле KV1 воздействует своим контактом на БУТВ, который переводит ТВ в режим инвертора, обеспечивая тем самым гашение магнитного поля двигателя. После гашения магнитного поля, время которого соответствует выдержке времени KТ2, последнее размыкает свой контакт в цепи реле KV. Отключение реле KV приведет к закрытию тиристоров ТВ и отключению двигателя вентилятора, в результате чего схема вернется в исходное положение.

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

г) Регулирование скорости СД

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.