Асинхронный пуск синхронного двигателя и его схема

16. Пуск синхронных двигателей.

Одним из главных недостатков синхронных двигателей является сложность их пуска в ход. Пуск синхронных двигателей может быть осуществлен при помощи вспомогательного пускового двигателя или путем асинхронного пуска.

Пуск синхронного двигателя при помощи вспомогательного двигателя. Если ротор синхронного двигателя с возбужденными полюсами развернуть другим, вспомогательным двигателем до скорости вращения поля статора, то магнитные полюсы статора, взаимодействуя с полюсами ротора, заставят ротор вращаться далее самостоятельно без посторонней помощи, в такт с полем статора, т. е. синхронно (откуда эти двигатели и получили свое название).

Для осуществления пуска необходимо, чтобы число пар полюсов асинхронного двигателя было меньше числа пар полюсов синхронного двигателя, ибо при этих условиях вспомогательный асинхронный двигатель может развернуть ротор синхронного двигателя до синхронной скорости.

Порядок пуска синхронного двигателя следующий. Включая рубильник 3, пускают вспомогательный асинхронный двигатель 2, который разворачивает ротор синхронного двигателя 1 до скорости, соответствующей скорости поля статора. Скорость вращения вспомогательного двигателя определяется по тахометру1. Затем, включая рубильник 4 постоянного тока, возбуждают полюсы ротора. Чтобы включить синхронный двигатель в сеть трехфазного тока, его нужно синхронизировать так же, как и при включении синхронного генератора на параллельную работу. Для этого реостатом 5 устанавливают такое возбуждение, чтобы напряжение обмотки статора по вольтметру V было равно напряжению сети, указываемому вольтметром V1.

Электролампы 6, включенные параллельно ножам рубильника 7 трех-фазной сети, при разомкнутом рубильнике будут мигать. Сначала мигание будет частым, но если изменять скорость вращения вспомогательного асинхронного двигателя, то лампы будут мигать . все реже и реже. Синхронный двигатель можно включить в сеть трехфазного тока рубильником 7 тогда, когда все три лампы одновременно погаснут. Ротор двигателя при этом входит в синхронизм и может далее вращаться самостоятельно. Теперь вспомогательный двигатель 2 рубильником 3 можно отключить от сети.

Сложность пуска и необходимость вспомогательного двигателя являются существенными недостатками этого способа пуска синхронных двигателей. Поэтому в настоящее время он применяется редко.

Асинхронный пуск синхронного двигателя. Для осуществления этого способа пуска в полюсных наконечниках полюсов ротора укладывается дополнительная короткозамкнутая обмотка. Так как во время пуска в обмотке возбуждения 1 двигателя наводится большая э. д. с, то по соображениям безопасности она замыкается рубильником 2 на сопротивление 3

При включении напряжения трехфазной сети в обмотку статора 4 синхронного двигателя возникает вращающееся магнитное поле, которое, пересекая короткозамкнутую (пусковую) обмотку, заложенную в полюсных наконечниках ротора, индуктирует в ней токи.

Эти токи, взаимодействуя с вращающимся полем статора, приведут ротор во вращение. При достижении ротором наибольшего числа оборотов (95—97% синхронной скорости) рубильник 2 переключают так, чтобы обмотку ротора включить в сеть постоянного напряжения.

Недостатком асинхронного пуска является большой пусковой ток (в 5—7 раз больший рабочего тока). Пусковой ток вызывает падение напряжения в сети, а это отражается на работе других потребителей. Для уменьшения пускового тока применяют пуск при пониженном напряжении с помощью реактора 2 или автотрансформатора.

В настоящее время применяют почти исключительно асинхронный пуск синхронных двигателей ввиду его простоты и надежности. Существуют также схемы автоматического асинхронного пуска синхронных двигателей

17. Сравнение синхронных и асинхронных двигателей.

Обмотки статора обоих двигателей получают питание от сети трехфазного переменного тока. Для питания обмотки возбуждения синхронного двигателя требуется, кроме того, источник электрической энергии постоянного тока, правда, относительно небольшой мощности.

Асинхронный пуск синхронных двигателей несколько сложнее пуска асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором. В отношении пусковых свойств асинхронные двигатели с фазным ротором имеют весьма существенные преимущества перед синхронными двигателями.

Частота вращения синхронных двигателей остается постоянной при изменении нагрузки, тогда как у асинхронных двигателей даже при их работе на естественной характеристике она несколько изменяется.

Асинхронные двигатели дают возможность регулировать частоту вращения различными способами (изменением числа пар полюсов, измерением частоты напряжение источника питания). Синхронные двигатели относятся к двигателям с нерегулируемой частотой вращения.

Воздействуя на ток возбуждения синхронного двигателя, можно в широких пределах изменять его коэффициент мощности. Можно, в частности, заставить синхронный двигатель работать с cosφ = 1, а также с опережающим током. Последнее может быть использовано для улучшения коэффициента мощности других потребителей, питающихся от той же сети. В отличие от этого асинхронный двигатель представляет собой активно-индуктивную нагрузку и имеет всегда cosφ 7 / 17 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 > Следующая > >>

Тут вы можете оставить комментарий к выбранному абзацу или сообщить об ошибке.

Пуск синхронного двигателя

Синхронный двигатель непосредственным включением обмотки статора (якоря) в сеть переменного тока не может быть запущен в ход.

Объясняется это следующим образом. При включении многофазной обмотки якоря в сеть практически мгновенно образуется вращающееся магнитное поле, частота вращения которого n_п зависит oт частоты f протекающего по обмоткам тока (n_п=60f/р). «Полюсы» этого поля, перемещаясь в пространстве, будут взаимодействовать то с одноименными, то с разноименными полюсами неподвижного, возбужденного ротора. В соответствии с этим будет меняться направление вращающего момента, действующего на ротор. В течение половины периода изменения тока в обмотках момент будет направлен в одну сторону, а в течение другой половины — в противоположную.

Пуск мог бы произойти, если бы ротор разогнался до установившейся скорости в течение полупериода, когда вра­щающий момент не меняет свой знак. При частоте 50 Гц полупериод равен 0,01 с. Из-за механической инерции за такое время роторы практически всех синхронных двигателей развернуться не смогут.

Существует несколько способов пуска двигателя. Эти способы заключаются в том, что в процессе пуска ротор двигателя разгоняется до скорости вращающегося поля, после чего двигатель входит в синхронизм и начинает работать как синхронный. Применение получили пуск с помощью разгонного двигателя, частотный пуск и асинхронный пуск. Наибольшее распространение имеет асинхронный пуск.

Пуск с помощью разгонного двигателя состоит в том, что посторонним (разгонным) двигателем ротор синхронной машины разворачивается до номинальной скорости. Обмотка возбуждения включена в сеть постоянного тока, а обмотка статора разомкнута. Затем производят включение ее на параллельную работу с сетью. После подключения машины к сети разгонный двигатель механически отсоединяют от вала синхронной машины, и последняя переходит в двигательный режим. Мощность разгонного двигателя невелика и составляет 10—20 % номинальной мощности синхронного двигателя. Эта мощность покрывает мощность механических и магнитных потерь в синхронном двигателе.

Частотный пуск применяется в том случае, если синхронный двигатель подключен к автономному источнику, часто­ту напряжения которого можно изменять от нуля до номинальной. Если плавно повышать частоту питающего напря­жения, то соответственно будет увеличиваться скорость магнитного поля. Ротор, следуя за полем, постепенно будет повышать свою скорость от нуля до номинальной. В процессе пуска машина все время работает в синхронном режиме.

Асинхронный пуск аналогичен пуску асинхронного двигателя. Для этого на роторе в полюсных наконечниках размещают пусковую обмотку. Эта обмотка выполняется по типу короткозамкнутой обмотки ротора асинхронного двигателя и имеет то же устройство, что и демпферная обмотка генератора. При пуске трехфазная обмотка статора включается в сеть. Ток, который будет протекать по этой обмотке, создаст вращающееся магнитное поле. Оно наведет в пусковой обмотке ротора ЭДС и ток. В результате взаимодействия тока пусковой обмотки ротора с вращающимся магнитным полем образуется момент, под действием которого ротор придет во вращение и развернется до ско­рости, близкой к скорости поля ω₁. Вращение его будет происходить со скольжением, которое зависит от нагрузки на валу (ω

Вхождение в синхронизм достигается после включения постоянного тока в обмотку возбуждения за счет возникаю­щего при этом синхронизирующего момента. С этого време­ни машина начинает работать как синхронный двигатель. На рис. 9 показана схема асинхронного пуска. При пуске обмотка возбуждения не должна быть разомкнутой, так как в противоположном случае вследствие большого числа витков в ней вращающимся полем индуцировалась бы боль­шая ЭДС, опасная не только для изоляции, но и для обслуживающего персонала. Обмотку возбуждения нельзя также замыкать накоротко, так как в этом случае она образует несимметричный (однофазный) контур. Он явится причиной образования дополнительного момента, под действием которого произойдет провал в кривой механической характеристики вблизи полусинхронной скорости. Из-за этого ротор при пуске может застрять на промежуточной скорости (в точке А на рис. 10). В начале пуска обмотка возбуждения LM должна быть замкнута на резистор с сопротивлением, приблизительно в 10—15 раз большим, чем сопротивление самой обмотки (положение 1 переключателя S). По окончании пуска переключатель S переводится в положение 2, и обмотка возбуждения включается в сеть постоянного тока.

Рис. 9. Схема асинхронного пуск синхронного двигателя

Асинхронный пуск синхронного двигателя характеризу­ется значениями пускового тока I_П и вращающих моментов— начального пускового М_П и входного М_B (рис. 11). Входным называется асинхронный момент при скорости ротора, равной 0,95ω₁. Этот момент равен наибольшему на­грузочному моменту, при котором возможно вхождение двигателя в синхронизм при включении постоянного тока в обмотку возбуждения.

Если сеть, в которую включается синхронный двигатель, недостаточно мощна, то во избежание большого падения напряжения при асинхронном пуске применяют меры для снижения начального пускового тока: включение через автотрансформатор, реактор и т.д.

6. Синхронные компенсаторы

Синхронный компенсатор является источником реактивной мощности и служит для регулирования cosφ сети. По режиму работы он является синхронным двигателем, работающим в режиме холостого хода, т. е. без механической нагрузки на валу. Синхронный компенсатор потребляет активную мощность, равную потерям внутри машины. Для повышения экономичности его работы потери стараются уменьшить, применяя для охлажде­ния водород, при этом из-за меньшей плотности водорода по сравнению с воздухом снижаются механические потери.

Рис. 12. U-образная характеристика синхронного компенсатора

Наиболее важной характе­ристикой синхронного компенсатора является U-образная характеристика (рис. 12). Она мало отличается от аналогичной характеристики синхронного двигателя при Р₂=0.

Реактивная мощность, развиваемая синхронным компенсатором, зависит от тока возбуждения. Перевозбужденный синхронный компенсатор работает с током, опережающим напряжение сети, и отдает реактивную мощность в сеть. При недовозбуждении он работает с током, отстающим от напряжения сети, и потребляет реактивную мощность из сети.

Синхронный компенсатор включается в конце линии передачи непосредственно у потребителя. Компенсируя частично или полностью реактивную составляющую тока линии, он уменьшает общий ток и потери в ней.

Синхронные компенсаторы чаще всего применяются в сетях с большой индуктивной нагрузкой для компенсации отстающего тока. Такую нагрузку обычно создают включенные в сеть асинхронные двигатели. Компенсатор в этом случае работает с перевозбуждением. На рис. 13, 14 показаны схема включения компенсатора GC и векторная диаграмма. На векторной диаграмме ток I представляет собой ток в сети при отсутствии синхронного компенсатора, а ток I‘ — при его включении. Реактивная составляющая I_Р тока I частично скомпенсирована током синхронного компенсатора I_C,K. В результате этого уменьшается угол между напряжением U и током I‘, a cosφ’ повышается.

В некоторых случаях синхронный компенсатор работает с недовозбуждением. Необходимость в этом возникает, если ток в линии содержит значительную опережающую составляющую, обусловленную ее емкостным сопротивлением. Это наблюдается в часы малой нагрузки линии передачи, когда отстающий ток нагрузки не компенсирует емкостную составляющую тока линии.

Синхронные компенсаторы устанавливаются также и для регулирования напряжения в конце линии электропередачи путем регулирования реактивного тока и изменения падения напряжения и его фазы. При опережающем токе синхронного компенсатора его ток возбуждения больше, чем при отстающем, поэтому условия нагрева компенсатора получаются более тяжелыми при опережающем токе.

Рис. 13. Схема включения синхронного компенсатора

Рис. 14. Векторная диаграмма для тока в сети при включенном синхронном компенсаторе

Вследствие этого номинальной мощностью синхронного компен­сатора считается мощность при опережающем токе.

Синхронные компенсаторы имеют некоторые конструктивные отличия от двигателей. Они не имеют выходного конца вала, кроме того, поскольку вал не передает вращающего момента, он может быть выполнен тоньше. Так как от синхронного компенсатора не требуется обеспечения больших перегрузок по моменту, то М_MAX у них может быть снижен за счет уменьшения воздушного зазора (увеличения х_d). Уменьшение воздушного зазора способствует сокращению размеров обмотки возбуждения. Все это приводит к уменьшению габаритов синхронного компенсатора.

Компенсаторы выпускаются на мощности от 2,8 до 320 MB∙А обычно в горизонтальном исполнении. Их номинальные напряжения составляют 6,6-20 кВ, а частота вращения 1000 или 750 об/мин.

мтомд.инфо

Синхронный двигатель. Пуск синхронного двигателя.

Конструкция синхронного двигателя такая же, как и у синхронного генератора. При подаче тока в трехфазную обмотку статора в нем возникает вращающееся магнитное поле. Частота вращения его определяется формулой: n = 60 f / p, где f — частота тока питающей сети, р — число пар полюсов на статоре.

Принцип действия синхронного двигателя

Ротор, зачастую являющийся электромагнитом, будет строго следовать за вращающимся магнитным полем, то есть его частота вращения n₂ = n₁. Рассмотрим принцип действия синхронного двигателя на следующей условной модели (рис. 1). Пусть магнитное поле статора будет смоделировано системой вращающихся магнитных полюсов N — S.

Принцип действия синхронного двигателя

Ротор двигателя тоже представляет собой систему электромагнитов S — N, которые сцеплены с полюсами на статоре. Если нагрузка на двигателе отсутствует, то оси полюсов статора будут совпадать с осями полюсов ротора (θ = 0). Если же к ротору подключена механическая нагрузка, то оси полюсов статора и ротора могут расходиться на некоторый угол θ. Однако магнитное сцепление ротора со статором будет продолжаться, и частота вращения ротора будет равна синхронной частоте статора (n₂ = n₁). При больших значениях ротор может выйти из сцепления и двигатель остановится.

Главное преимущество синхронного двигателя перед асинхронным — это обеспечение синхронной скорости вращения ротора при значительных колебаниях нагрузки.

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.

автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему: Разработка системы векторно-импульсного управления пуском синхронного электродвигателя

Автореферат диссертации по теме «Разработка системы векторно-импульсного управления пуском синхронного электродвигателя»

На правах рукописи

ДАВЫДКИН МАКСИМ НИКОЛАЕВИЧ

РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ ВЕКТОРНО-ИМПУЛЬСНОГО УПРАВЛЕНИЯ ПУСКОМ СИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ

Специальность 05.09.03. — Электротехнические комплексы и системы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова»

кандидат технических наук, доцент БАСКОВ Сергей Николаевич

доктор технических наук, профессор САРВАРОВ Анвар Сабулханович

кандидат технических наук, доцент ИШМАТОВ Закир Шарифович

ОАО «Уральская Сталь», г. Новотроицк

Защита состоится «28» июня 2010 г. в 13 часов 00 минут на заседании диссертационного совета Д 212.111.04 при ГОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова» по адресу: 455000, Челябинская обл., г. Магнитогорск, пр. Ленина, д.38, ауд. 227.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова».

Автореферат разослан «27» мая 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. При прямом асинхронном пуске синхронного двигателя в цепи статора возникают ударные токи, которые могут превосходить номинальные в 7-14 раз. Эти броски тока вызывают большие электромагнитные и механические ударные нагрузки на двигатели и исполнительные механизмы. Многократные ударные нагрузки приводят к выходу из строя дорогостоящего технологического оборудования и к значительным затратам на его ремонт. Кроме того, прямой пуск высоковольтного электродвигателя большой единичной мощности, сопровождаемый протеканием пусковых токов, сравнимых по величине с токами короткого замыкания, приводит к глубоким посадкам напряжения питающей сети при каждой операции пуска, что отрицательно сказывается на устойчивости работы других потребителей.

Большие пусковые токи, потребляемые электродвигателями в момент их пуска, и связанные с этим глубокие посадки напряжения существенно усложняют, а в ряде случаев делают невозможным пуск таких двигателей в случае их электроснабжения от газотурбинных, дизельных или иных электростанций ограниченной мощности. В связи с этим персонал предприятий, эксплуатирующий высоковольтные электродвигатели, старается обеспечивать их работу без остановок, возможно более длительное время, даже когда по технологии нет потребности в их работе. А это в свою очередь приводит к значительному перерасходу электроэнергии.

При внедрении систем плавного пуска повышается надежность работы агрегатов и систем их электроснабжения, так как исключаются механические электромагнитные и гидравлические ударные нагрузки. Обеспечивается возможность запуска электродвигателей большой единичной мощности от газотурбинных и дизельных электростанций ограниченной мощности. Увеличиваются сроки службы агрегатов с высоковольтным приводом и длительность межремонтных промежутков, исключаются глубокие просадки напряжений сети в режиме пуска двигателя, что обеспечивает надежное электроснабжение других потребителей электроэнергии подключенных к сети.

На сегодняшний день плавный пуск синхронных двигателей чаще всего осуществляется с отключенной обмоткой возбуждения, при этом используются все способы пуска, применяемые для асинхронных двигателей. Наиболее распространенным способом является плавное повышение напряжения на статоре, с помощью различных регуляторов напряжения. Основным недостатком этого способа является значительное снижение пускового момента, кроме того, возникают сложности в синхронизации с сетью при достижении около-синхронной частоты вращения. Единственным способом, позволяющим осуществить плавный пуск синхронного двигателя с подключенной обмоткой возбуждения, без значительных бросков тока, является частотный пуск. Однако техническая реализация данного способа затруднена высокой стоимостью преобразователей частоты, особенно высоковольтных. Стоимостные и массогабаритные показатели источника питания (выпрямитель-инвертор) могут быть экономически оправданы только со стороны ограничений технологического процесса, в котором принимает участие конкретный синхронный двигатель.

Интерес представляет векторно-импульсный способ пуска, заключающийся в том, что статор двигателя подключают к сети импульсно, когда вектора потокосце-плений ротора и статора занимают в пространстве определенное взаимное положение. Подробные исследования этого способа, позволяющие реализовать его на практике, не проводились. Поэтому задача решения проблемы плавного пуска мощных синхронных двигателей простыми техническими средствами, на основе

способа векторно-импульсного управления, поставленная в диссертационной работе, является актуальной.

Цель работы. Целью диссертационной работы является разработка конкурентоспособных, малогабаритных устройств плавного пуска, обеспечивающих пуск мощных синхронных электродвигателей с заданным темпом разгона, пусковым моментом близким к номинальному и регулируемым ограничением тока.

Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих основных задач:

— исследование существующих способов плавного пуска синхронных электродвигателей и особенностей векторно-импульсного способа пуска;

— разработка математической модели синхронного двигателя в режиме векторно-импульсного управления, исследование динамических режимов пуска методами математического моделирования;

— определение оптимального момента и длительности включения синхронного двигателя для получения электромагнитного момента, требуемой величины и знака;

— разработка принципов построения и вариантов реализации системы векторно-импульсного управления пуском синхронного двигателя;

— проведение теоретических и экспериментальных исследований разработанной системы электропривода.

Методы исследования. Теоретические исследования проводились с использованием аналитических и численных методов решения алгебраических уравнений и систем дифференциального и интегрального исчисления, методов структурного моделирования. Разработанные алгоритмы реализованы в виде программных модулей для пакета визуального программирования БИМШЫК математического пакета МАНАВ И2007Ь. Экспериментальные исследования проводились в промышленных условиях на специально созданной экспериментальной установке путем прямого осциллографирования основных параметров с последующей их обработкой.

Научная новизна разработок заключается в разработке устройства плавного пуска с принципиально новой системой управления, реализующей векторно-импульсный способ пуска.

Теоретически обоснованы и экспериментально подтверждены основные зависимости и способы управления координатами синхронного электродвигателя при векторно-импульсном управлении.

Предложено математическое описание, разработаны структурные схемы и создан программный продукт для моделирования работы синхронного электродвигателя в режиме векторно-импульсного пуска.

Разработана система управления, обеспечивающая определение положения вектора потокосцепления ротора и подключение обмоток статора к сети в требуемые моменты времени в режиме широтно-импульсной модуляции, за счет чего обеспечивается положительный электромагнитный момент и ограничение тока статора на заданном уровне.

Теоретически и экспериментально доказано, что предложенная система управления обеспечивает плавный пуск синхронного двигателя с подключенной обмоткой возбуждения и последующей самосинхронизацией с сетью, причем среднее значение электромагнитного момента синхронного двигателя при вектор-но-импульсном пуске значительно больше, чем при асинхронном пуске от регулятора напряжения.

Практическая ценность и реализация работы состоит в том, что в результате проведенных теоретических и экспериментальных исследований:

— разработано устройство плавного пуска синхронных электродвигателей, обеспечивающее изменяемый темп разгона, пусковой момент близкий к номинальному и регулируемое ограничение тока. Простота предложенной силовой схемы позволяет реализовывать малогабаритные и недорогие устройства плавного пуска, в том числе и для высоковольтных синхронных двигателей;

— разработанная система автоматизированного электропривода опробована на экспериментально-промышленной установке устройства плавного пуска синхронного двигателя регулируемого электропривода роликовых печей листопрокатного цеха N21 ОАО «Уральская Сталь». Доказана возможность осуществления плавного пуска синхронного двигателя с ограничением пусковых токов и снижением нагрузки на питающую сеть.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается правомерностью принятых исходных положений и предпосылок, корректным применением методов математического моделирования, применением классических методов теории электропривода и теории автоматического управления, практической реализацией и экспериментальными исследованиями разработанной системы электропривода в промышленных условиях.

К защите представляются следующие основные положения:

1. Основные закономерности для определения оптимального момента и длительности подключения статора синхронного двигателя к сети при векторно-импульсном управлении.

2. Алгоритм определения положения ротора синхронного двигателя по величинам фазных ЭДС статора, наводимых магнитным полем ротора в неподвижном состоянии в момент подачи тока возбуждения на ротор.

3. Принципы построения системы управления пуском синхронного двигателя, работающей по алгоритму векторно-импульсного управления с широтно-импульсной модуляцией.

4. Математическая модель системы векторно-импульсного управления, учитывающая условия коммутации управляющих элементов силовых ключей.

5. Результаты теоретических и экспериментальных исследований разработанного устройства плавного пуска.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Энерго- и ресурсосбережение. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии» (г. Екатеринбург, 2009 г.); на межрегиональной научной конференции молодых ученых и аспирантов «Наука и производство Урала» (г. Новотроицк, 2007-2009 г.г.); на научно-технических семинарах кафедры автоматизированного электропривода и мехатроники (2007-2009 г.г.); 67-й научно-технической конференции по итогам научно-исследовательских работ за 2008-2009 г.г. (МГТУ, апрель 2009 г.) и на расширенном заседании кафедры автоматизированного электропривода и мехатроники ГОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова» (май 2010 г.).

Публикации. Основное содержание работы опубликовано в 9 печатных трудах, в т.ч. одна статья в ведущем рецензируемом научном журнале, рекомендованном Высшей аттестационной комиссией Минобразования России.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 70 наименований и 1 приложения. Работа изложена на 136 страницах машинописного текста, в том числе 60 рисунков и 7 таблиц.

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель и основные задачи исследований.

В первой главе на основе патентно-литературных исследований дан анализ существующих способов плавного пуска синхронных двигателей. Показано что, несмотря на все преимущества синхронных двигателей, их использование ограниченно сложностью пуска, особенно пуска высоковольтных синхронных двигателей. В результате анализа установлено, что известные методы и способы либо не удовлетворяют техническим критериям пуска синхронных двигателей, либо их применение ограничено высокой стоимостью пусковых устройств.

Наибольший интерес представляет импульсный способ пуска, при котором обмотка статора синхронного двигателя соединяется с сетью переменного тока через тиристорный коммутатор. Система управления подает импульсы управления на тиристоры, моменты подачи которых синхронизированы с положением ротора с помощью датчика положения ротора. Среднее значение момента а, следовательно, и интенсивность пуска регулируется изменением параметров импульсов-длительностью, амплитудой, положением и скважностью посредством фазового управления тиристоров. Преимущества данного способа пуска заключаются в однократном преобразование энергии, отсутствии звена постоянного тока и высоковольтного реактора, естественной коммутации тиристоров и автоматической синхронизации с сетью при достижении синхронной частоты вращения. Вместе с тем этот способ обладает и существенными недостатками: невозможностью ограничения пусковых токов синхронного двигателя, вследствие неполной управляемости тиристоров и необходимостью применения датчика положения ротора.

На основе проведенного анализа существующих способов пуска синхронного двигателя и задач, которые должно решать пусковое устройство, был сделан вывод о необходимости разработки на базе импульсного способа пуска нового устройства, с применением полностью управляемых силовых полупроводниковых приборов, что позволит реализовать регулируемое ограничение пускового тока и улучшение энергетических характеристик устройства. Управление подключением статора синхронного двигателя к сети должно осуществляться в функции взаимного положения векторов потокосцеплений статора и ротора, для чего необходимо разработать способ определения положения этих векторов.

Вторая глава диссертационной работы посвящена разработке математического описания синхронного двигателя с учетом особенностей, накладываемых режимом векторно-импульсного пуска, составлению структурных схем математических моделей, разработке программного продукта для автоматизированного анализа и теоретическому исследованию потокосцеплений ротора и статора и электромагнитного момента синхронного двигателя в режиме векторно-импульсного пуска.

Для составления модели использовалась система уравнений Парка-Горева и соответствующая ей схема замещения синхронного двигателя в осях с1-ц. Для учета зависимости коэффициентов взаимной индукции и соответствующих реактивно-стей от насыщения стали в исходные уравнения машины вводятся специальные переменные параметры 9(1 и учитывающие насыщение стали по осям (1 иq. Сами же коэффициенты являются постоянными параметрами, независящими от насыщения, и определяются для идеализированной ненасыщенной машины. Следовательно, форма записи уравнений насыщенной машины остается такой же, как идеализированной машины, изменяются лишь выражения для определения с1, q составляющих ЭДС рассеяния статора. В систему уравнений машины необходимо

включить уравнения для определения Еа и характеристику насыщения стали. Таким образом, модель синхронного двигателя в осях с1, д, удовлетворяющая требованиям и пригодная для проведения расчетов переходных процессов при век-торно-импульсном управлении принимает вид:

Рис. 4. Влияние величины Дутах на темп разгона