Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Липецкий государственный технический университет

Кафедра электропривода

Отчет по практике

«Системы пуска синхронного электродвигателя»

Липецк, 2020

Оглавление

синхронный электродвигатель технологический частотный

• Введение. Общие данные об объекте исследования
• 1. Системы асинхронного пуска
• 2. Системы частотного пуска
• 3. Пуск от гонного двигателя
• 4. Системы с использованием устройства плавного пуска (УПП)
• Приложение. Патентная документация


Введение

Общие данные об объекте исследования

Объектом патентных исследований (ОПИ) являются системы пуска синхронных электродвигателей, удовлетворяющие разнообразным требованиям, предъявляемым к современному технологическому оборудованию.

У синхронных двигателей КПД и коэффициент мощности выше, чем у асинхронных, поэтому они широко применяются в промышленных приводах и во многих случаях вытесняют асинхронные. Характерным отличием синхронных двигателей является постоянство частоты вращения при изменении нагрузки. Синхронные двигатели имеют предельно жесткие механические характеристики. Стоит отметить, что, так как момент пропорционален напряжению сети, а не его квадрату, синхронные двигатели менее чувствительны к его изменению и имеют большую перегрузочную способность.

В большинстве случаев, такими приводами оснащаются механизмы с вентиляторной нагрузкой - мощные насосы, вентиляторы, эксгаустеры. Данные механизмы работают в продолжительном режиме и не требуют регулирования скорости.

Одним из недостатков синхронного электродвигателя являются плохие пусковые свойства, которые ограничивают его применение. Данный двигатель не имеет начального пускового момента. Если обмотку якоря подключить к сети переменного тока, когда ротор неподвижен, а по обмотке возбуждения проходит постоянный ток, то за один период изменения тока электромагнитный момент будет дважды менять свое направление, то есть, средний момент за период будет равен нулю. Следовательно, для пуска в ход синхронного двигателя необходимо разогнать его ротор с помощью внешнего момента до частоты вращения, близкой к синхронной. Для этой цели используется несколько способов пуска: асинхронный, частотный от преобразователя частоты, при помощи разгонного двигателя. Самый распространенный - асинхронный способ, однако, при пуске возникают большие токи, что может привести к выходу из строя двигателя. Для более мягкого пуска используются устройства плавного пуска (УПП) на полупроводниковой элементной базе.

Всё вышеперечисленное способствовало тенденции построения и развития систем пуска синхронного электродвигателя. Перспективным направлением является создание системы, обеспечивающей наилучшие показатели и характеристики двигателя при его пуске в независимости от мощности механизма. В данном отчете был произведен патентный поиск и произведен анализ различных систем пуска с целью определения технического уровня на сегодняшний день и выявления предпосылок к дальнейшей модернизации.



1. Системы асинхронного пуска

В настоящее время одним из самых распространенных способов пуска является асинхронный. При этом методе синхронный двигатель снабжают пусковой короткозамкнутой обмоткой типа «беличья клетка» и запускают как асинхронный. Обмотку возбуждения в целях снижения перенапряжения закорачивают на активное сопротивление. После разгона до частоты вращения, близкой к синхронной, в обмотку возбуждения подают постоянный ток, создающий синхронизирующий момент, который втягивает ротор в синхронизм.

Начиная с первой половины XX века, разрабатываются и усовершенствуются различные системы асинхронного пуска. В авторском свидетельстве SU 50420 (1937 г.) Б.Е. Телишевский предлагает устройство для асинхронного пуска синхронного двигателя, в котором для включения возбуждения двигателя при скорости, близкой к синхронной, применен прибор типа индукционного трехфазного счетчика для равномерной нагрузки фаз. Применение способа основано на том, что в период пуска в первый момент затрачивается активная мощность на сообщение ускорения ротору, а по достижении подсинхронной скорости величина затрачиваемой активной мощности очень мала, так как определяется потерями холостого хода двигателя. Таким образом, коэффициент мощности ( при пуске равен примерно 0,7-0,8, а в момент достижения синхронной скорости - 0,1. Устройством, реагирующим на изменение является трехфазный счетчик для равномерной нагрузки фаз, включенный по схеме Арона. У такого счетчика вращающий момент пропорционален При достижении подсинхронной скорости счетчик возможно отрегулировать (сдвинуть магнитную систему одной из фаз к внешней стороне диска) на «обратный самоход», который получается за счет вредных вращающихся моментов между системами обеих фаз из-за их несимметричного расположения относительно центра диска. При получении «обратного самохода» счетчик замыкает контакт в цепи возбуждения синхронного двигателя, подавая постоянный ток при достижении подсинхронной скорости. Явным недостатком является погрешность, которая обусловлена самим прибором, его несовершенством по состоянию на 1937 год.

В авторском свидетельстве SU 68233 (1947 г.) предлагается осуществлять асинхронный пуск через специальное устройство - дроссель насыщения, включенного в статорную цепь и подмагничиваемого постоянным током от возбуждения машины с помощью дополнительной обмотки. Имеется контакт, подключающий реле, которое контролирует замыкание обмотки возбуждения на сопротивление во время пуска. Индуктивность такого дросселя изменятся в широком диапазоне и зависит от ампервитков постоянного тока. При этом мощность подмагничивающего постоянного тока изменяется в пределах 1% от мощности в цепи переменного тока. Вследствие этого при пуске индуктивность максимальна, что дает возможность уменьшить пусковой ток. По мере увеличения оборотов двигателя, растет значение ампервитков постоянного тока. При достижении подсинхронной скорости, обмотка возбуждения подключается также к постоянному току, значение ампервитков максимально, индуктивность минимальна. Основным недостатком являются сложные электромагнитные процессы в обмотках дросселя и риск выхода его из строя под действие опасных перенапряжений в сети.

В некоторых случаях допускается асинхронный пуск при постоянно включенной обмотке возбуждения. Однако, в этом случае возникает тормозной момент, и в механической характеристике асинхронного пуска наблюдается провал, приводящий к уменьшению момента сопротивления, при котором произойдет синхронизм. Устранение этого явления описано в авторском свидетельстве SU 143890 (1962 г.). Для этой цели синхронный двигатель оснащают статорной полюсопереключаемой обмоткой на две скорости с четным соотношением чисел пар полюсов. Сущность способа в том, что пуск происходит при включении обмотки статора, обеспечивающей меньшую полюсность по отношению к полюсности системы возбуждения. В этом случае пуск происходит как бы при выключенной обмотке возбуждения, следовательно, тормозной момент отсутствует. После достижения подсинхронной скорости, соответствующей большему числу полюсов, питание переключается на обмотку с большим числом полюсов. К преимуществам можно отнести высокие энергетические показатели и возможность увеличения момента сопротивления при синхронизме. Явным недостатком является сложная конструкция статорной обмотки и необходимость правильного подбора числа полюсов.

Развитие полупроводниковой техники позволило использовать такие устройства в системах асинхронного пуска синхронного двигателя. Уже в 1930-е годы предлагается использовать в цепи обмотки возбуждения известные на тот момент выпрямители (ионные, купроксные). В авторском свидетельстве SU 48764 (1934 г.) описан способ замены сопротивления, на которое замыкается обмотка возбуждения, выпрямителем, включенным так, что ЭДС, подводимая от него к якорю возбудителя, была бы направлена встречно ЭДС последнего. Во время пуска в обмотке возбуждения индуцируется напряжение, выпрямленное выпрямителем и подающееся к якорю возбудителя. При соответствующем протекании тока возбуждения, в якоре создаётся собственная ЭДС, направленная встречно индуцированному. Таким образом, якорь возбудителя заменяет необходимое для пуска сопротивление в обмотке возбуждения. При синхронизации выпрямитель может быть выведен из работы.

В авторском свидетельстве SU 412842 (1976 г.) предлагается использовать в цепи обмотки возбуждения полупроводниковый триод и элементы управления им в функции ЭДС скольжения. Момент срабатывания такого устройства определяется величиной ЭДС, наводимой в обмотке возбуждения, при таком значении скольжения , при котором двигатель втянется в синхронизм. При значениях обмотка возбуждения замкнута на сопротивление, а в зоне подключена на питающее напряжение. Само устройство выполнено в виде узла сравнения, к одному входу которого через реле, управляемое первым выходом датчика ЭДС скольжения, подключен источник постоянного напряжения, а к другому - через выпрямитель второй выход датчика ЭДС скольжения, причем выход узла сравнения подключен к управляющему электроду указанного триода в цепи возбуждения. Недостатком можно назвать отсутствие защитных цепочек полупроводниковых элементов, что снижает уровень надежности устройства.

В авторском свидетельстве SU 1707721 (1990 г.) описывается способ повышения надежности асинхронного пуска путем увеличения среднего электромагнитного момента, создаваемого обмоткой возбуждения воздействием на параметры пускового устройства ротора. Устройство содержит последовательно соединенные резистор и конденсатор переменной емкости, подключенные параллельно обмотке возбуждения двигателя, и встречно-параллельно включенные тиристоры, шунтирующие конденсатор при разноименной полярности ЭДС и тока обмотки возбуждения. При одноименной полярности происходит емкостная компенсация индуктивности обмотки возбуждения, рост тока и уменьшение его фазового сдвига, что ведет к росту ускоряющего момента. Управление тиристорами производится ключами от реле, реагирующих на полярность ЭДС обмотки через датчик ЭДС. Такая система преимущественно применима для синхронных двигателей, имеющих в своём составе управляемый полупроводниковый возбудитель для питания обмотки возбуждения.

Одним из перспективных направлений является усовершенствование систем точной синхронизации двигателя с сетью при асинхронном пуске. теоретические и экспериментальные исследования показали, что основной причиной ненадежного втягивания в синхронизм является сильно выраженное компаундирование двигателя в переходных режимах и, в частности, при синхронизации. Успешное втягивание двигателя в синхронизм гарантировано происходит при совпадении полярности магнитных осей поля трехфазной обмотки и поля возбуждения. Если в момент включения обмотки возбуждения полярность этих полей противоположна, то двигатель «опрокидывается», т.е. резко снижает скорость вплоть до остановки. При промежуточных состояниях магнитных осей поля трехфазной обмотки и обмотки возбуждения при включении обмоток на синхронизацию возникают качания ротора с вероятностью успешной синхронизации примерно 80%. Отметим, что в мировой практике доминирующее положение занимает так называемая грубая синхронизация синхронных двигателей, когда обмотка возбуждения подключается к устройству питания после достижения подсинхронной скорости в произвольный момент времени.

Технической задачей является повышение надежности синхронизации двигателя за счет снижения степени компаундирования двигателя.

В авторском свидетельстве SU 20287190 (2006 г.) приводится один из вариантов решения поставленной задачи. Синхронный электродвигатель содержит основную и дополнительную трехфазные статорные обмотки, первые выводы которых присоединены через выключатели к трехфазному источнику электроэнергии, вторые выводы основной обмотки соединены в общую точку, трехфазный неуправляемый выпрямитель, выводы переменного тока которого соединены с вторыми выводами дополнительной трехфазной статорной обмотки, а выводы постоянного тока через первый выключатель - с выводами обмотки возбуждения синхронного двигателя, зашунтированной цепью, составленной из последовательно соединенных второго выключателя и резистора, и имеет трехфазный дроссель, подключенный к входу выпрямителя через собственный выключатель.

Двигатель разгоняется как асинхронный и завершает разбег, достигнув подсинхронной скорости (скольжение s = 2-5%). Далее, для совершения синхронизации двигателя замыкаются контакты выключателей, в обмотках статора и возбуждения протекают токи, причем часть тока обмотки ответвляется в дроссель, другая часть после выпрямителя ответвляется в цепь резистора, а оставшаяся часть составляет ток обмотки возбуждения и создает магнитный поток возбуждения, заставляющий ротор двигателя втягиваться в синхронизм, сцепляясь своими силовыми линиями с силовыми линиями вращающегося магнитного поля, создаваемого токами трехфазных обмоток. После синхронизации двигателя контакты выключателей размыкаются и двигатель переходит в установившийся режим работы.

За счет включения дросселя параллельно цепи «выпрямитель-обмотка возбуждения» уменьшается коэффициент компаундирования схемы, снижается амплитуда колебания тока возбуждения при качаниях ротора, вызванных «проскальзыванием» полюсов поля статора, и возбуждения при несовпадении полярности этих полей в момент включения контактов выключателей 2 и 7. За счет этого предотвращается эффект «опрокидывания» двигателя в ходе синхронизации и обеспечивается надежное втягивание двигателя в синхронизм.

2. Системы частотного пуска

Другим способом пуска синхронного двигателя является частотный способ пуска. Он применяется в том случае, если сначала включается ток возбуждения, а обмотка статора двигателя подключается к автономному источнику, частоту напряжения которого можно изменять от нуля до номинальной. Это осуществляется с помощью специального задатчика скорости и обеспечивает плавное увеличение скорости вращения его магнитного поля. При этом ротор «успевает» за магнитным полем и двигатель работает синхронно с источником питания уже с самых малых своих скоростей. Такой способ пуска характеризуется к тому же и пониженными потерями энергии в двигателе. Однако, этот вид пуска для синхронных двигателей общепромышленного назначения используется крайне редко из-за значительной стоимости преобразователя частоты, а также необходимости реализации сложных законов регулирования исходного напряжения и частоты в процессе разгона двигателя. Частотный пуск синхронных двигателей применяется в приводах специальных установок.

В авторском свидетельстве SU 855908 (1981 г.) описано устройство для частотного пуска синхронной машины, помимо преобразователя частоты и блока управления им содержащее трансформатор, обеспечивающий более устойчивый запуск машины. Также модифицирована система управления инвертором преобразователя, а блок запуска составлен из кольцевого счётчика, что, в совокупности, позволяет контролировать начальный асинхронный пусковой момент системы. В случае, когда он оказывается недостаточным для разворота синхронной машины до нужных оборотов, счётчик блокирует дальнейшую работу системы и начинает процесс пуска заново. В противном случае, после того, как обороты синхронной машины достигают величины порядка 0,05-0,1 от номинальных и напряжение на ней становится достаточным для осуществления естественной коммутации вентилей инвертора, автоматика преобразователя блокирует работу блока запуска.

Таким образом, данное устройство обеспечивает надежный запуск синхронной машины в нужном направлении, т.е. без изменения направления вращения в процессе запуска. При этом, учитывая, что необходимую величину асинхронного момента практически всегда можно обеспечить, уменьшая пусковую частоту и увеличивая ток в силовой цепи преобразователя, то запуск синхронной машины осуществляется за один цикл работы блока запуска.

В авторском свидетельстве SU 921006 (1982 г.) описывается способ пуска высоковольтной синхронной машины, при котором с помощью опросных импульсов, генерируемых системой управления преобразователем частоты, контролируется угловое положение индуктора двигателя относительно обмоток статора. В данном случае опросные импульсы подают на одну из обмоток синхронной машины и определяют угловое положение индуктора по ЭДС, наведённой в другой обмотке, гальванически не связанной с первой. По полученным данным определяется группа вентилей преобразователя частоты, которая должна быть включена первой. После её включения опросные импульсы подаются на две фазы обмотки якоря, снова измеряется и запоминается ЭДС, наведённая в обмотке индуктора. Далее вентили преобразователя выключают и через заданный временной интервал включают другие фазы обмотки якоря, измеряют ЭДС, наводимую в обмотке индуктора, и по измеренным величинам ЭДС определяют угловое положение индуктора. Такое решение позволило на тот момент упростить реализацию частотного пуска синхронной машины.

В авторском свидетельстве SU 1164846 (1985 г.) рассматривается система для пуска синхронного электропривода, уменьшающая время его пуска. Для этой цели в системе управления инвертором предусмотрен задатчик пусковой частоты, содержащий времязадающую интегрирующую цепь. Введение данной цепи в задатчик пусковой частоты выходного тока инвертора позволяет непрерывно уменьшать среднее значение напряжения на выходе задатчика, а следовательно, и величину пусковой частоты переключения тока по статорным обмоткам синхронного двигателя по мере его разгона, что надёжно увеличивает в зоне низких частот мощность, подводимую к электроприводу. Это происходит за счёт уменьшения угла управления инвертором. В результате увеличивается темп разгона машины, что сокращает примерно в два раза время работы инвертора в режиме искусственной коммутации. Помимо этого уменьшается также само количество искусственных коммутаций, что позволяет увеличить срок службы двигателя, снижая действие неблагоприятных механических воздействий на обмотки статора и ротора, возникающих при каждом переключении генератора управляющих импульсов инвертора, вызывающем периодическое прерывание тока двигателя.

В авторском свидетельстве SU 1577063 (1990 г.) описано устройство для управления синхронной машиной в режиме частотного пуска, позволяющее сократить длительность пуска при заданной мощности тиристорного преобразователя частоты и улучшить условия синхронизации. После подачи возбуждения устанавливается максимально возможный сигнал на входе формирователя задания в системе управления преобразователем частоты. При пуске ток возбуждения ограничивается и меняется в зависимости от напряжения на зажимах двигателя, что снижает время пуска. При достижении сверхсинхронной скорости вращения замыкается связь датчика напряжения сети. Это приводит к форсировке возбуждения и быстрому нарастанию напряжения на зажимах синхронной машины, что упрощает синхронизацию.

В авторском свидетельстве RU 2277289 (2004 г.) описывается способ квазичастотного мягкого пуска синхронного двигателя и устройство для его осуществления, позволяющие повысить эффективность использования синхронного двигателя за счёт снижения тепловых и механических нагрузок при пуске, сокращения интервала времени между пусками, увеличения количества возможных пусков и продолжительности срока его эксплуатации. Данная разработка основана на ранее зарегистрированном изобретении (авторское свидетельство SU 921006, 1982 г.) и усовершенствует его. Путём дополнительного измерения напряжения и тока в обмотках статора, напряжения питающей сети и величины тока в обмотке возбуждения, определяется скорость вращения двигателя, а также угловое положение ротора относительно статора перед пуском двигателя. По полученным данным осуществляется управление парами тиристоров регулятора с необходимой выдержкой времени между их включениями. При достижении двигателем скорости вращения, равной 5% от синхронной скорости, определяется реальное положение вектора напряжения питающей сети и вектора потока статора, по которым определяют тиристоры, которые нужно включать, и моменты их включения при условии, что пусковой ток равен заранее заданному значению. Тиристорный регулятор шунтируется при достижении двигателем подсинхронной скорости. На всём протяжении пуска осуществляется подача управляющих сигналов, обеспечивающая нарастание частоты до значения 50 Гц.

В авторском свидетельстве RU 2455747 (2011 г.) изложены варианты дальнейшего развития идеи, представленной в описанном выше патенте SU 2277289. Технический результат заявляемых устройств заключается в уменьшении массы, габаритов и стоимости устройства плавного частотного пуска высоковольтных синхронных электродвигателей при сниженных пульсациях вращающего момента электродвигателя в области низких скоростей.

Предлагаемое устройство в общем виде содержит зависимый преобразователь частоты со звеном постоянного тока, состоящий из тиристорного выпрямителя, тиристорного инвертора и сглаживающего дросселя. По первому варианту в него введены трёхфазный транзисторный инвертор с блоком управления, выполненный по трёхфазной мостовой схеме выпрямления и рассчитанный на частичное напряжение сети (10-15%), и конденсатором фильтра на входах, а также стабилизатор напряжения, соединённый параллельно конденсатору фильтра. Все перечисленные элементы отключаются специальными коммутационными аппаратами в области высоких напряжений.

Сущность устройства по второму варианту та же, что и по первому, за исключением того, что в устройстве содержится ещё и задатчик интенсивности, позволяющий формировать скорость изменения частоты на выходе транзисторного инвертора и уровня напряжения на конденсаторе фильтра в процессе разгона электродвигателя в области низких скоростей. С помощью задатчика интенсивности исключается возможность резкого изменения задания выходной частоты инвертора при резком изменении задания и обеспечивается плавное изменение частоты при переходе с одной частоты на другую.

В авторском свидетельстве RU 2497268 (2012 г.) рассматривается устройство для частотного пуска и регулирования скорости высоковольтного синхронного электродвигателя. Как и предыдущее, данное изобретение позволяет уменьшить массу, габариты и стоимость устройства при сниженных пульсациях вращающего момента электродвигателя в области низких скоростей. Технический результат достигается за счёт введения в устройство, содержащее зависимый преобразователь частоты со звеном постоянного тока, обратного диодного моста, выполненного по трёхфазной схеме выпрямления и рассчитанного на напряжение сети (10-15%), двух полупроводниковых ключей с блоками управления, а также двух логических элементов ИЛИ. Обратный диодный мост выполнен на напряжение, соответствующее уровню переключения тиристоров инвертора в режиме естественной коммутации тока фаз. Введение также двух коммутационных аппаратов позволяет отключить обратный диодный мост в области высоких напряжений электродвигателя и выбрать его параметры на меньшее напряжение, снизив дополнительно тем самым его стоимость.

На участке переключения токов фаз двигателя создан путь тока фазы электродвигателя, остающийся в работе, через один из диодов обратного диодного моста, полупроводниковый ключ и контакты коммутационных аппаратов, исключив тем самым снижение до нуля крутящего момента на валу электродвигателя. При этом выбор открываемого полупроводникового ключа выполняется логическими элементами ИЛИ, входные зажимы которых связаны с блоком управления тиристорного инвертора.

После разгона электродвигателя до 5-7 Гц частоты тока ротора происходит переключение режима коммутации тока фаз электродвигателя тиристорами инвертора: с принудительной (методом прерывания тока за счёт ЭДС сети) на естественную (за счёт ЭДС фаз электродвигателя, наводимых вращающимся полем ротора). При этом контакты коммутационных аппаратов отключаются, и дальнейший разгон электродвигателя до номинальной скорости происходит без дополнительного управления.

Помимо патентов на изобретения рассматривались патенты на полезные модели.

В патенте RU 101598 (2010 г.) описывается автоматизированная система плавного пуска синхронного электропривода механизмов с высокомоментной нагрузкой. Прототипом модели является изобретение по патенту RU 2277289. Данная модель позволяет устранить недостаток прототипа, а именно невозможность обеспечить гарантированный запуск двигателя при высокомоментной нагрузке на валу из-за перегрева обмоток динамическим током в течение длительного времени, и таким образом повышает надёжность работы синхронного электропривода.

Этот технический результат достигается тем, что в системе в качестве блока возбуждения использован транзисторный возбудитель с фазовым управлением или в режиме широтно-импульсного регулирования тока, подключенный к микропроцессорной системе векторного квазичастотного управления. Смысл данного управления состоит в формировании синфазных векторов электромагнитного поля тока ротора и вращающегося квазичастотного поля статорной пусковой обмотки синхронного двигателя по определённому закону. Это важное условие гарантированного запуска синхронного двигателя под нагрузкой.

В патенте на полезную модель RU 108246 (2011 г.) рассматривается устройство для пуска синхронного двигателя, содержащее трёхфазный мостовой инвертор тока, подключенный к синхронному электродвигателю и датчику напряжения на статорных обмотках, выход которого соединен со входом первой системы импульсно-фазового управления, а также имитатор положения ротора и генератор опорных сигналов, вторую систему импульсно-фазового управления, соединенную с трёхфазным мостовым инвертором тока, а также коммутатор угловой коррекции и нуль-орган. Первая система импульсно-фазного управления управляет коммутацией вентилей трёхфазного мостового инвертора тока в соответствии со значением напряжения на статорных обмотках. Вторая система управляет вентилями, коммутация которых должна произойти после завершения текущей коммутации согласно сигналам с генератора опорных сигналов. В результате в системе устанавливается угол положения ротора. Имитатор положения ротора, представляющий собой интегратор, принимает сигнал угловой скорости вращения ротора, значение которого определяется максимальными моментами нагрузки и инерции на валу синхронного электродвигателя. Происходит сравнение сигналов, осуществляемое нуль-органом, и осуществление коррекции дальнейшей коммутации вентилей. Таким образом, полезная модель позволяет устранить колебания вала ротора синхронного электродвигателя при его пуске.

3. Пуск от гонного двигателя

Пуск с помощью разгонного двигателя состоит в том, что посторонним (разгонным) двигателем ротор синхронной машины разворачивается до номинальной скорости. При этом сам пуск должен производится без нагрузки на валу, так это может испортить сам гонный двигатель. Обмотка возбуждения включена в сеть постоянного тока, а обмотка статора разомкнута. Далее 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.

Так же пуск синхронного двигателя при помощи вспомогательного двигателя происходит, 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.

Данный способ пуска весьма неэкономичный, так как увеличвается общая инерционность механизма. Разработки в этой области, можно сказать, почти не ведутся. В авторском свидетельстве SU 1275720 (1985 г.) описывается способ пуска ведомой синхронной машины соединенной электрически с обмотками якоря ведущей синхронной машины, вал которой соединен механически с приводным двигателем, при котором включают напряжение возбуждения ведущей синхронной машины и повышают частоту вращения последней путем увеличения оборотов приводного двигателя. С целью повышения надежности пуска, до начала движения ведущей синхронной машины замыкаю цепь обмотки ротора ведомой синхронной машины, после начала движения ведущей синхронной машины контролируют полярность и знак скорости изменения тока в цепи обмотки ротора ведомой синхронной машины и при отрицательной полярности и положительном знаке скорости изменения тока в цепи ее обмотки ротора размыкают цепь обмотки ротора и включают напряжение возбуждения ведомой, синхронной машины.

4. Системы с использованием устройства плавного пуска (УПП)

Прямой пуск высоковольтного электродвигателя сопровождается 6-8 кратным броском пускового тока, создающим ударный электромагнитный момент, передающийся через вал двигателя на приводимый в движение механизм. В течение 15... 20% времени разгона электродвигателя этот момент содержит постоянную составляющую и вынужденную составляющую в виде знакопеременного момента с амплитудой до 4 номинальных моментов электродвигателя. Возникающие большие знакопеременные электродинамические усилия в обмотке статора приводят к ухудшению изоляции секций и изгибу лобовых частей обмотки вследствие смещения проводников друг относительно друга. Знакопеременный момент вызывает вибрации как самого электродвигателя, так и приводимого в движение механизма. В результате, ударные нагрузки приводят к разрушению и пробою изоляции обмоток статора электродвигателей, перегоранию межкатушечных соединений, обгоранию выводных концов, поломкам валов, соединительных муфт, редукторов и другим неполадкам.

Плавный пуск электродвигателя с помощью устройства серии УППВЭ достигается за счет формирования заданного темпа нарастания напряжения на двигателе от нуля до номинального значения методом фазового управления тиристорами устройства.

Система плавного пуска (СПП) предназначена для мягкого, безударного плавного пуска одного или поочередного плавного пуска группы высоковольтных электродвигателей, подключенных к одной или нескольким секциям шин.

Наибольший экономический эффект достигается внедрением системы поочередного плавного пуска группы электродвигателей одним устройством УППВЭ. Например, при запуске 4-х электродвигателей использование СпП обеспечивает сокращение затрат на плавный пуск одного электродвигателя почти в 3 раза.

Система плавного пуска высоковольтных электродвигателей может быть разделена на три основные части:

* устройство УППВЭ;

* силовая коммутационная аппаратура;

* система управления, автоматики пуска и сигнализации.

В авторском свидетельстве SU 1202002 (1985г.) предлагается способ пуска синхронной машины с помощью автоматического каскадного пуска. Асинхронный разгон начинается с подачи сигнала блока управления, напряжение сети подается на статорные обмотки, включенные последовательно. За счет асинхронных моментов обеих машин скорость вращения их роторов возрастает до подсинхронной величины. Выключатели замыкают пусковое сопротивление в конце асинхронного режима.

Синхронизация начинается с подключения обмотки возбуждения синхронной машины к выходу регулятора тока, и одновременно подключается ротор асинхронного двигателя. Увеличение тока возбуждения синхронной машины с соответствующей постоянной времени сопровождается увеличением выходного напряжения сумматора, а также появлением выходного напряжения двухпозиционного реле. Снижение напряжения на асинхронном двигателе до нуля сопровождается нулевым напряжением фазочувствительного усилителя, при этом величина тока регулятора соответствует моменту сопротивления.

Таким образом, данное устройство отличается от прототипа тем, что схема дополнена несложными элементами, работа которых сокращает время пуска машин, а так же увеличивает надежность их работы за счет безударной коммутации.

В авторском свидетельстве SU 1753568 (1990г.) предлагается способ пуска синхронного двигателя с блоком пуска. Сущность изобретения: пуск синхронного двигателя заключается в том, что его статор подключают к сети, а обмотку возбуждения замыкают на последовательно соединенные пусковой резистор и блок емкостной компенсации при одноименной полярности ЭДС и тока ротора. При разноименной полярности ЭДС и тока ротора ключом шунтируют блок емкостной компенсации.

Поставленная цель достигается тем, что в способе пуска синхронного двигателя с блоком пуска, выполненным в виде последовательно соединенных пускового резистора и блока емкостной компенсации, при котором подключают статор к сети и замыкают обмотку возбуждения на пусковой блок, определяют полярность ЭДС и тока ротора и при различной их полярности шунтируют блок емкостной компенсации.

Кроме того, поставленная цель достигается тем, что при шунтировании блока емкостной компенсации дополнительно повышают кратность пускового резистора.

В авторском свидетельстве SU 2096902 (1992 г.) предлагается способ пуска синхронной машины с обмоткой возбуждения на роторе и многофазной обмоткой статора, при котором многофазную обмотку статора в течение всего периода пуска подключают к первичной электросети соответствующей частоты, а обмотку возбуждения ротора к гасящему устройству и при достижении ротором синхронной машины подсинхронной частоты вращения обмотку возбуждения отключают от гасящего устройства и подключают к устройству возбуждения, отличающийся тем, что в течение периода пуска до момента достижения ротором синхронной машины подсинхронной частоты вращения контролируют величину, частоту и фазу напряжения первичной электросети, величину индуктированной в обмотке возбуждения ротора ЭДС, частоту и фазу тока обмотки возбуждения и регулируют по фазе, величине и знаку упомянутый ток и связанный с ним магнитный поток в роторе один раз за каждый полупериод относительной частоты индуктированной в обмотке возбуждения ротора ЭДС. Тем самым сокращая количество внешнего оборудования для пуска синхронной машины.

В авторском свидетельстве SU 2014720 (1994г.) предлагается повышение асинхронного момента в режимах пуска за счет оптимального управления возбуждением в функции от электромагнитного момента. При этом на интервале изменения скольжения до первого заданного значения происходит разгон двигателя с применением пускового сопротивления, на интервале изменения скольжения от первого до второго заданного значения циклически переключают обмотку возбуждения с активного сопротивления на возбудитель с двухполярным форсированным напряжением и обратно в моменты достижения вращающим электромагнитным моментом соответственно минимальных и максимальных мгновенных значений. Для вычисления вращающего электромагнитного момента используют мгновенные значения фазных токов и напряжений статора. На интервале скольжений, меньших второго заданного значения, осуществляют подачу постоянного по знаку напряжения возбуждения, благодаря чему двигатель втягивается в синхронизм.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для улучшения пусковых характеристик синхронного двигателя в режимах пуска и самозапуска за счет увеличения асинхронного момента синхронного двигателя путем изменения параметров цепи обмотки возбуждения.

В авторском свидетельстве SU 2396692 (2010 г.) предлагается устройства пуска синхронного двигателя в блоке «трансформатор-двигатель», содержащее синхронный электродвигатель с основной и дополнительной трехфазными статорными обмотками, первые выводы которых в рабочем положении присоединены через контакты коммутатора к трехфазному трансформатору, первичная обмотка которого подключена к источнику электроэнергии, а вторичная обмотка имеет ответвления для подключения основной и дополнительной статорных обмоток, вторые выводы основной обмотки статора соединены в общую точку, трехфазный неуправляемый выпрямитель, выводы переменного тока которого соединены с вторыми выводами дополнительной трехфазной статорной обмотки, а выводы постоянного тока - с выводами обмотки возбуждения синхронного двигателя, отличающееся тем, что содержит коммутатор статорных обмоток двигателя, обеспечивающий их переключение посредством своих контактов на период асинхронного пуска из рабочего положения в схему соединения основной обмотки треугольником и последовательное включение соединенной треугольником обмотки с дополнительной статорной обмоткой.

Недостаток данного пуска -- это большие токи при переключении обмоток трансформатора, что негативно влияет на цепь.

В авторском свидетельстве SU 107007 (2011г.) предлагается устройство плавного пуска синхронного двигателя с асинхронным возбудителем, содержащее управляемый тиристорный выпрямитель с системой импульсно-фазового управления, тиристорный инвертор тока и датчик положения ротора, выходы которого подключены к управляющим входам тиристоров инвертора, m-фазная статорная обмотка синхронного двигателя подключена к питающей сети через тиристорный инвертор тока и управляемый тиристорный выпрямитель, а обмотка возбуждения - к роторной обмотке асинхронного возбудителя через диодный выпрямитель. Дополнительно в устройство введены m-фазный генератор переменного напряжения с двумя входами управления и задатчик частоты. При этом выходы генератора подключены к m-фазной статорной обмотке асинхронного возбудителя, первый вход управления соединен с управляющими цепями тиристоров инвертора тока, а второй - с задатчиком частоты. Полезная модель позволяет расширить область применения устройств плавного пуска синхронных двигателей и улучшить массогабаритные показатели асинхронного возбудителя, входящего в состав двигателя.

Отличительной особенностью предлагаемой полезной модели является то, что расширение области применения устройства плавного пуска синхронных двигателей и улучшение - массогабаритных показателей асинхронного возбудителя достигается за счет введения в его состав m-фазного генератора переменного напряжения, подключения его выхода к m-фазной статорной обмотке асинхронного возбудителя, а также подключения управляющих цепей генератора к управляющим цепям инвертора тока и к задатчику частоты.

В авторском свидетельстве SU 2502180 (2012г.) предлагается устройство для пуска и бесщеточного возбуждения бесконтактной синхронной машины. Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для возбуждения и пуска синхронных бесконтактных электрических машин специального назначения, например в бортовых системах переменного тока постоянной частоты 400 Гц. Технический результат - расширение функциональных возможностей возбудителя за счет обеспечения работы в двигательном и генераторном режимах при уменьшении расхода материалов, повышении КПД, упрощении конструкции и снижении материалоемкости изготовления возбудителя. Устройство включает основную синхронную машину, обращенный синхронный возбудитель основной синхронной машины в общей магнитной системе с асинхронным подвозбудителем, выполненным в виде асинхронного двигателя, обмотку возбуждения синхронного возбудителя, расположенную на роторе обмотку, вращающийся полупроводниковый преобразователь и регулятор возбуждения. Оно снабжено коммутатором режимов, измерителем частоты вращения ротора основной синхронной машины с входом и выходом и переключателями обмотки, при этом последняя выполнена в виде катушечных групп в неявнополюсной магнитной системе статора и ротора, а магнитная система выполнена совмещенной по магнитным потокам с меньшим числом полюсов для двигательного режима работы и большим числом полюсов для генераторного режима работы.

Недостатками известного устройства являются наличие дополнительной обмотки статора асинхронного двигателя возбудителя, силового трансформатора, блока пусковых сопротивлений и управляемого выпрямителя, что существенно усложняет утяжеляет конструкцию, что затрудняет использование устройства в бортовых условиях. Кроме того, высока вероятность выхода из строя диодов вращающегося выпрямителя при пуске и самосинхронизации синхронной машины, что снижает надежность и ресурс устройства.



Заключение

Результаты проведенных патентных исследований позволяют сделать следующие выводы. Во-первых, системы пуска синхронного электродвигателя получили широкое распространение, и на данную тематику выдано большое количество патентов. Однако, при этом стоит отметить, что весомый вклад в развитие таких систем внесли отечественные изобретатели. При осуществления поиска среди иностранных патентов не было найдено ни одного документа, который мог бы заинтересовать исследователя данной тематики.

Во-вторых, наиболее исторически развитыми являются системы асинхронного пуска - с середины 30-х годов и до сегодняшних дней. Системы частотного пуска получили распространение начиная с 80-х годов. Наиболее современными являются системы с устройствами плавного пуска. Это объясняется тем, что в двух последних началось применение элементов полупроводниковой техники, которое получило научное развитие и практическое применение в последние 30 лет. На данный момент времени это одно из передовых направлений развития автоматизированных систем. Что касается систем с гонным двигателем, то из-за большой общей инерционности они не получили дальнейшего развития, и патенты на эту тему не оформляются.

В-третьих, можно сделать вывод, что будущие системы пуска будут строится на базе частотных систем в комбинации с устройствами плавного пуска, или, на базе систем асинхронного пуска в комбинации с устройствами плавного пуска. Также, бурное развитие полупроводниковой техники, и, как следствие, микропроцессорных устройств, позволит создавать новейшие системы с применением отличных способов пуска.



Приложение

Патентная документация

Предмет поиска (объект исследования, его составные части)	Страна выдачи, вид и номер охранного документа. Классификационный индекс	Заявитель (патентообладатель), страна. Номер заявки, дата приоритета, конвенционный приоритет, дата публикации	Название изобретения (полной модели, образца)	Сведения о действии охранного документа или причина его аннулирования
1) Системы асинхронного пуска	Россия SU №50420 МПК H02P1/50, H02K19/12	заявка 192357, 22.04.1935, опубл. 28.02.1937, заявитель: Телишевский Б.Е.	Устройство для асинхронного пуска синхронного двигателя	Нет данных
	Россия SU №68233 МПК H02P1/46	заявка 1342488, 22.01.1946, опубл. 01.01.1947, заявитель: Барский С.З.	Пусковое устройство для синхронных машин	Нет данных
	Россия SU №143890 МПК H02K19/12, H02P 1/48	Заявка 731263/24, 22.05.1961, опубл. 01.01.1962, заявитель: Колесников В.П., Пархоменко Г.А.	Способ асинхронного пуска синхронного двигателя	Нет данных
	Россия SU №48764 МПК H02Р1/50, H02к 19/12	Заявка 167437, 14.04.1935, опубл. 31.08.1936, заявитель: Романов М.И.	Устройство для асинхронного пуска синхронных машин	Нет данных
	Россия SU №412842 МПК H02Р1/50	Заявка 1460339, 13.07.1970, опубл. 05.08.1976, заявитель: Физико-энергетический институт АН Латвийской ССР	Устройство для асинхронного пуска и ресинхронизации синхронного электродвигателя	Нет данных
	Россия SU №1707721 МПК H02Р1/50	Заявка 4783561, 17.01.1990, опубл. 23.01.1992, заявитель: ДНЕПРОДЗЕРЖИНСКИЙ ИНДУСТРИАЛЬНЫЙ ИНСТИТУТ ИМ. М. И. АРСЕНИЧЕВА	Способ асинхронного пуска синхронного электродвигателя	Нет данных
	Россия SU №20287190 МПК H02Р1/50 H02К17/26 H02К19/14	Заявка 2004131174/09, 25.10.2004, опубл. 10.03.2006, заявитель: Стрижков И.Г., Трубин А.Н., Коляда С.Л., Стрижков С.И	Синхронный двигатель	Прекратил действие
2) Пуск от гонного двигателя	Россия SU №1275720 МПК H02Р1/50	Заявка 3901105, 29.05.1985, опубл. 07.12.1986, заявитель: ЛЕНИНГРАДСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ ВСЕСОЮЗНОГО ОРДЕНА ЛЕНИНА ПРОЕКТНО ИЗЫСКАТЕЛЬСКОГО И НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОГО ИНСТИТУТА "ГИДРОПРОЕКТ" ИМ. С. Я. ЖУКА	Способ пуска ведомой синхронной машины	Нет данных
3) Частотный пуск	Россия SU №855908 МПК H02Р1/50 H02Р7/42	Заявка 2845887, 30.11.1979, опубл. 15.08.1981, заявитель: ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ ИМ.Г.М.КРЖИЖАНОВСКОГО, ПРЕДПРИЯТИЕ П/Я Г-4903	Устройство для частотного пуска синхронной машины	Нет данных
	Россия SU №921006 МПК H02Р1/50	Заявка 2683736, 22.11.1978, опубл. 15.04.1984, заявитель: МОСКОВСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОГО ИНСТИТУТА ПОСТОЯННОГО ТОКА	Способ пуска синхронной машины	Нет данных
	Россия SU №1164846 МПК H02Р1/50	Заявка 3629581, 03.08.1983, опубл. 30.06.1985, заявитель: ПРЕДПРИЯТИЕ П/Я Г-4903	Система для пуска синхронного электропривода	Нет данных
	Россия SU №1577063 МПК H02Р7/42 H02Р1/50	Заявка 4480193, 07.09.1988, опубл. 07.07.1990, заявитель: ВСЕСОЮЗНЫЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКИ	Устройство для управления синхронной машиной в режиме частотного пуска	Нет данных
	Россия RU №2277289 МПК H02Р1/52	Заявка 2004133959/09, 23.11.2004, опубл. 27.05.2006, заявитель: ООО «ВЕГА-ГАЗ».	Способ квазичастотного мягкого пуска синхронного двигателя и устройство для его осуществления	Действует
	Россия RU №2455747 МПК H02Р1/52	Заявка 2011109569/07, 14.03.2011, опубл. 10.07.2012, заявитель: ОАО «Всероссийский научно-исследовательский проектно-конструкторский и технологический институт релестроения с опытным производством»	Тиристорное устройство для плавного частотного пуска высоковольтного синхронного электродвигателя (варианты)	Действует
	Россия RU №2497268 МПК H02Р6/20	Заявка 2012108306/07, 05.03.2012, опубл. 27.10.2013, заявитель: ОАО «Всероссийский научно-исследовательский проектно-конструкторский и технологический институт релестроения с опытным производством»	Устройство для частотного пуска и регулирования скорости высоковольтного синхронного электродвигателя	Действует
	Россия RU №101598 МПК H02Р1/46 H02Р21/00	Заявка 2010118297/07, 05.05.2010, опубл. 20.01.2011, заявитель: ОАО «Гипрогазцентр»	Автоматизированная система плавного пуска синхронного электропривода механизмов с высокомоментной нагрузкой	Действует
	Россия RU №2497268 МПК H02Р6/20	Заявка 2011114519/07, 31.03.2011, опубл. 10.09.2011, заявитель: ООО НПП «ЭКРА»	Устройство для пуска синхронного электродвигателя	Действует
	Россия RU №1202002 МПК H02Р1/50	Заявка 3728484, 20.04.1984, опубл. 10.09.2011, заявитель: ПЕРМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ	Устройство для автоматического каскадного пуска синхронной машины	Нет данных
	Россия RU №1753568 МПК H02Р1/50	Заявка 4796772, 15.01.1990, опубл. 07.08.1992, заявитель: ДНЕПРОДЗЕРЖИНСКИЙ ИНДУСТРИАЛЬНЫЙ ИНСТИТУТ ИМ. М. И. АРСЕНИЧЕВА	Способ пуска синхронного двигателя с блоком пуска	Прекратил действие
	Россия RU №2096902 МПК H02Р1/50	Заявка 5039735/07, 23.04.1992, опубл. 20.11.1997, заявитель: Акционерное общество АВтоВАЗ	Способ пуска синхронных машин и устройство его осуществления	Прекратил действие
	Россия RU №2014720 МПК H02Р1/46	Заявка 5031145/07, 10.01.1992, опубл. 15.06.1994, заявитель: Донецкий политехнический институт	Способ пуска и самозапуска синхронного двигателя	Прекратил действие
	Россия RU №2396692 МПК H02Р1/50 H02К19/12	Заявка 2008150318/09, 18.12.2008, опубл. 10.08.2010, заявитель: Стрижков И.Г., Трубин А.Н., Стрижков С.И., Бегляров Р.Р.	Устройство пуска синхронного двигателя	Прекратил действие
	Россия RU №107007 МПК H02Р6/20 H02Р25/30	Заявка2011108345/07, 03.03.2011, опубл. 27.07.2011, заявитель: ООО НПП «ЭКРА»	Устройство плавного пуска синхронного двигателя с асинхронным возбудителем	Действует
	Россия RU №2502180 МПК H02К19/38 H02Р9/14 H02Р9/30	Заявка 2012134106/07, 09.08.2012, опубл. 10.12.2012, заявитель: Закрытое акционерное общество «НТК»	Устройство для пуска и бесщеточного возбуждения бесконтактной синхронной машины	Действует

Размещено на Allbest.ru