книги из ГПНТБ / Вершинин П.П. Применение синхронных электроприводов в металлургии

Защита от пусковых перенапряжений при помощи линейных разрядных сопротивлений

На рис. 42 приведена схема защиты вентилей выпря­ мителя от перенапряжений с использованием линейного разрядного сопротивления, включаемого в цепь обмотки возбуждения через встречно параллельное включение тиристора и диода.

В период разгона двигателя положительная полу­ волна тока в разрядном контуре замыкается через ти­ ристор Ti и разрядное сопротивление ^ . Отрицательная полуволна протекает через диод. Импульсы на открыва­ ние тиристора Т1 снимаются с потенциометра R\, шунти­

рующего обмотку возбуждения. Для четкого открывания тиристора в цепь управляющего электрода включен стабилитрон Ст. Резисторы Rz и Ra служат для регули­ рования напряжения и силы тока в цепи управления ти­ ристора, диод Д2 применен для предотвращения обрат­ ного тока. Цепочка RsCi защищает тиристор и диод от коммутационных перенапряжений.

Исходными данными для выбора тиристора Тх и диода D\ в разрядном контуре является максимальный бросок тока ротора при пуске Ifm и допустимое напря­ жение на зажимах выпрямительного моста.

Сила тока, проходящего через вентили,и разрядное сопротивление в период пуска двигателя, определяется величиной э. д. с., наводимой в обмотке, и полным сопро­ тивлением разрядного контура. В первый момент пуска преобладает реактивное сопротивление обмотки ротора, которое ограничивает бросок тока, обусловленный мак­ симальной э. д. с. С увеличением скорости реактивное сопротивление падает вследствие снижения частоты, од­ нако уменьшается и э. д. с., наводимая в обмотке. Поэ­ тому сила тока ротора в период пуска двигателя с линей­ ным разрядным сопротивлением остается практически постоянной. Максимальное напряжение на зажимах моста

Максимальное напряжение на вентилях с учетом на­ пряжения трансформатора, питающего выпрямительный мост

130

Для повышения надежности разрядного контура иногда применяют по две параллельные защитные це­ почки с тиристорами и диодами.

Находят применение также схемы защиты, состоящие из линейного разрядного сопротивления и двух встречно параллельно включенных тиристоров. В отличие от схемы на рис. 42 в такой схеме исключается возможность протекания тока через диод и разрядное сопротивле­ ние при работе двигателя с малыми токами возбуж­ дения.

Недостатком систем возбуждения с глухоподйлюченными возбудителями и разрядным резистором явля­ ется ограничение величины разрядного сопротивления, выбираемого по условиям пуска двигателя, которые на­ кладываются классом тиристоров преобразовательного моста.

Защита от коммутационных перенапряжений на стороне постоянного тока

Коммутационные перенапряжения на стороне посто­ янного тока обусловлены запасом энергии в магнитном поле обмотки возбуждения и возникают при отключении выпрямителя от трансформатора или отключении обмот­ ки возбуждения под нагрузкой. В схемах с индивидуаль­ ным согласующим трансформатором, к которому выпря­ митель подключается «глухо», эти перенапряжения замыкаются через открытые вентили в анодной и катод­ ной группе и вторичную обмотку трансформатора. Заме­ тим, однако, что в процессе наладки систем возбужде­ ния с тиристорами наблюдались случаи перенапряжений и пробоя вентилей даже при глухом присоединении выпрямителя к трансформатору в момент отключения обмотки возбуждения.

В системах возбуждения с глухоподключенным воз­ будителем к ротору двигателя защита тиристоров от коммутационных перенапряжений обеспечивается теми же средствами, что и защита от пусковых перенапряже­ ний. В системах с отключаемым возбудителем (см. рис. 41, в) опасные пусковые перенапряжения на вентили не попадают, так как на первом этапе пуска до подсинхронной скорости замыкающиеся контакты кон­ тактора разомкнуты. На втором этапе пуска эти пере­ напряжения не опасны.

9‘

При отключении обмотки ротора под нагрузкой контактором М возникающие перенапряжения гасятся в разрядном сопротивлении гр, которое вводится в цепь ротора размыкающимся контактом М. Падение напряжения на сопротивлении гр изменяется по экспонен­ циальному закону

где //(0) — максимально возможная сила выпрямленного тока в об­ мотке возбуждения в момент коммутации, принимается равной силе тока в режиме форсировки;

I f ( 0 ) — I f н ^ф.т!

т— электромагнитная постоянная времени разрядного кон­ тура;

г / + г р

Lf — индуктивность обмотки возбуждения синхронного дви­ гателя;

Lf = Тda rf

Тda— электромагнитная постоянная времени обмотки возбуж­ дения при разомкнутой обмотке статора.

Если принять в выражении (Ш-36) ^= 0 , что соответствует од­ новременной коммутации замыкающих и размыкающих силовых кон­ тактов контактора М, то максимальное напряжение на разрядном сопротивлении будет равно

Это напряжение за вычетом падения напряжения на дуге кон­ тактора, которое, однако, в первый момент после коммутации может приниматься равным нулю, прикладывается к вентилям выпрямителя.

Наиболее опасные коммутационные перенапряжения возникают при срабатывании максимальной защиты и отключении выпрямителя от согласующего трансфор­ матора в режиме форсировки. Разрядное сопротивление гр остается отключенным, и перенапряжения обратной полярности, возникающие на обмотке ротора, приклады­ ваются к зажимам моста в прямом направлении.

Для защиты от коммутационных перенапряжений в прямом направлении при закрытых тиристорах разра­ ботан ряд схем. На преобразователях типа ПТТ приме­ няют схему защиты, приведенную на рис. 44, а. Принцип защиты основан на открывании катодной группы венти­ лей при появлении перенапряжений и шунтировании вентилями обмотки возбуждения (один из вентилей анодной группы в это время открыт). Открывание вен­ тилей осуществляется лавинным диодом DJ1 и диодами

132

Dx—D3.' Для ограничения силы тока управления после­ довательно с диодами включены резисторы Ri—#7- Опыт эксплуатации описанной схемы показал, что за­ щита четко срабатывает при появлении перенапряжений, однако содержит большое число элементов и подвергну­ та частым повреждениям.

~тв

Рис. 44. Схемы защиты от перенапряжений:

а — защита, основанная на открывании тиристоров катодной группы; б—за­ щита с тиристором и стабилитроном; в — защита лавинными тиристорами; г — диодная схема защиты

На рис. 44, в приведена схема защиты от перенапря­ жений, примененная на тиристорных преобразователях ПТВ. В схеме использованы два параллельно соединен­ ных лавинных тиристора ТЛ\ и 7У72Класс тиристоров выбирают таким образом, чтобы при возрастании пере­ напряжений сверх допустимого уровня наступило вклю­ чение .(пробой) тиристора по аноду без отпирающего импульса. После пробоя одного из тиристоров подается импульс на управляющий электрод параллельно вклю­ ченного тиристора. Описанная схема, а также схема, йоказанная на рис. 44, б с обычными тиристорами, имеют общий недостаток — необходимость установки сильноточных тиристоров в защитном контуре. При параллель­ ном соединении нескольких тиристоров понижается на­ дежность защиты вследствие разброса параметров вен­ тилей. Блок защиты из двух параллельно соединенных

133

лавинных тиристоров проработал на приводе блюминга 1150 несколько часов, после чего вышли из строя оба ти­

ристора.

На рис. 45 показана схема защиты от перенапряже­ ний на преобразователях типа ВУКПо принципу дейст­ вия схема аналогична схеме, показанной на рис. Ц ,а. При появлении на зажимах моста перенапряжения пробива­

как в тиристорных схемах тре­ буется известный промежуток времени на открывание вентилей. Диодные схемы защиты имеют недостатки, со­ стоящие в том, что в зарегулированном режиме при углах зажигания тиристоров в преобразователе выше 30 градусов возможны кратковременная смена полярно­ сти на выходе моста и протекание тока через диоды в прямом направлении. Последнее, однако, можно исклю­ чить установкой лавинного диода.

Опытная эксплуатация систем тиристорного возбуж­

ных нагрузок, показала работоспособность и экономич­ ность диодных схем.

Защита от коммутационных перенапряжений на вентилях

Коммутационные перенапряжения на вентилях воз­ никают в момент коммутации тока с одного вентиля на другой. Схемы защиты, от коммутационных перенапря­

134

жений при помощи разрядных цепочек из последователь­ но включенных емкостей и сопротивлений применяют не только в системах возбуждения синхронных двигателей, но и.во многих других установках; они подробно описа­ ны в литературе [37].

Схемы управления синхронными двигателями с тиристорным возбуждением

Комплектный тиристорный преобразователь включа­ ет в себя следующие системы:

а) силовую часть преобразователя; б) систему фазо-импульсного управления; в) систему защиты и сигнализации; г) систему охлаждения; д) измерительные приборы.

Основу силовой части (рис. 46) составляет вентиль­ ный блок, состоящий из тиристоров, соединенных в сим­ метричную мостовую или нулевую схему. В каждое пле-

- 3 8 0 В

акторы; АД — анодные делители

135

чо моста включается один или несколько параллельно соединенных тиристоров в преобразователях большой мощности. Для параллельного включения выбирают ти­ ристоры с разбросом по прямым падениям напряжения в пределах одной группы. Равномерное распределение тока между параллельно включенными вентилями дости­ гается магнитными симметрирующими устройствами — анодными делителями тока.

В преобразователях с высоким номинальным напря­ жением применяется последовательное включение вен­ тилей в каждом плече выпрямительного моста.

Токоограничивающие реакторы предназначены для защиты тиристоров от сверхтоков и ограничения скоро­ сти нарастания анодного тока в аварийных режимах. Реакторы поставляются комплектно с тиристорным пре­ образователем.

Автоматические выключатели выбирают по номи­ нальной силе тока, которая должна быть не меньше си­ лы тока возбуждения двигателя с учетом возможных эксплуатационных перегрузок, и номинальному напря­ жению сети. Сила тока срабатывания дистанционного расцепителя не должна превышать допустимую силу вентиля с учетом перегрузок в режиме форсировок. В системах тиристорного возбуждения находят приме­ нение автоматические выключатели типа АП, АК и А. Тиристорные преобразователи, рассчитанные на боль­ шие силы токов, комплектуют специальными быстро­ действующими автоматическими выключателями типа АВМ-СВ.

Система фазоимпульсного управления предназначена для преобразования сигналов управления, поступающих в преобразователь от датчиков системы автоматического регулирования, или постоянных сигналов в регулируе­ мые по фазе импульсы, необходимые для открывания тиристоров. Параметры управляющих импульсов для различных тиристоров находятся в пределах: сила тока управления 0,3—0,5 А, напряжение управления 4—8 В, ширина импульса 6— 10 эл. градусов. Описание систем фазоимпульсного управления тиристорами довольно ши­ роко представлено в литературе [37, 40 и др.].

синхронного электропривода с бесконтактной системой возбуждения. Такие системы не имеют щеточных кон­

136

тактов и состоят из электромашинного возбудителя пе­ ременного тока (обращенный синхронный генератор с обмоткой возбуждения, расположенной на статоре, или асинхронная машина, работающая в режиме преобразо­ вателя частоты со скольжением больше единицы), полу­ проводниковых вентилей, блока защиты вентилей и узла управления возбуждением возбудителя (рис.. 47).

Рис. 47. Бесконтактная система возбуждения с вращающими­ ся полупроводниковыми вентилями

Якорь возбудителя С\—С2—С3, полупроводниковые вентили В\—В6 и блок защиты СТй СТ2\ Т\\ Т2 находят­

ся на одном валу с ротором и вращаются синхронно с ним. При этом создаются благоприятные условия для охлаждения вентилей и исключаются щеточные контак­

с потерями в системах, использующих коллекторный воз­ будители.

Возбуждение, выполненное на основе обращенного синхронного генератора, дает возможность получить систему с различными законами регулирования тока воз­ буждения при малых мощностях управления, обладаю­ щую достаточным запасом энергии для обеспечения форсировки возбуждения. Однако они имеют сравни­ тельно высокую инерционность (Гв^О^бЧ-О^ с). Такие возбудители целесообразно использовать для быстро­

137

ходных синхронных двигателей, например приводов аглозксгаустеров.

Асинхронные возбудители практически безынерци­ онны (Гв=0,005 с), но имеют сравнительно высокую мощность управления и не могут обеспечить форсиров­ ку возбуждения. Они находят применение для возбуж­ дения тихоходных двигателей.

Полупроводниковые вентили В\—Вб, питаемые от возбудителяпеременного тока, должны быть рассчита­ ны на работу в условиях переходного режима и выдер­ живать напряжения переменной частоты, возникающие в роторе при асинхронном пуске. Для защиты вентилей параллельно им со стороны обмотки возбуждения син­ хронного двигателя ОБ устанавливают тиристоры Т\, Т2 (или нелинейное сопротивление).

По бесконтактным системам возбуждения в Совет­ ском Союзе и за рубежом проведены многочисленные исследования [41, 42]. Ряд опытных образцов находится в эксплуатации. В настоящее время они осваиваются отечественной промышленностью для серийного вы­ пуска.

Глава IV

АВТОМАТИЧЕСКОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ ВОЗБУЖДЕНИЯ СИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ*

1. ЗАДАЧИ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ВОЗБУЖДЕНИЯ (АРВ)

Общие задачи АРВ синхронных двигателей определены Всесоюзным совещанием по автоматическому регулиро­ ванию систем возбуждения синхронных двигателей [43] и сводятся к следующему:

1)АРВ должно обеспечить устойчивую работу син

хронных двигателей при заданных режимах нагрузки;

* В написании этой главы принимал участие инженер А. В. Бу­ гаенко.

138

2)‘ АРВ синхронных двигателей должно способство­ вать поддержанию нормального (оптимального) напря­ жения в узле нагрузки, к которому они присоединены, при допустимом тепловом режиме двигателей;

3)АРВ синхронных двигателей должно способство­ вать обеспечению минимума потерь энергии в двигате­ лях и системе электроснабжения, если Это не противоре­ чит рекомендациям двух предыдущих пунктов;

4)для повышения устойчивости синхронных двигате* лей и выдачи повышенной реактивной мощности при

кратковременных (до 1 мин) посадках напряжения во всех случаях должна использоваться релейная или пара­ метрическая форсировка возбуждения.

Мощные синхронные двигатели используются на предприятиях в качестве приводов промышленных ме­ ханизмов и генераторов реактивной мощности. Поэтому задачи автоматического регулирования целесообразно рассмотреть с этих двух позиций.

Если синхронный двигатель рассматривать с точки зрения привода, то задачи АРВ в зависимости от режи­

* Расчеты показывают, что минимум потерь мощности в систе­ ме двигатель — возбудитель достигается при coscp несколько мень­ шем единицы и отстающем токе.

139