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

набросами и сбросами нагрузки и кратностью макси­ мального момента (2—2,5) Мв' приводы валков трубо­ прокатных станов, ножниц и пил по металлу, а также приводы, работающие с продолжительностью нагрузки 50— 100 с и отличающиеся меньшей кратностью момен­ та (до 1,5 Мъ)\ электроприводы валков непрерывных заготовочных и сортовых прокатных станов, скиповых лебедок доменных печей. Примеры циклограмм приво-

2,5МВт

ВМВт

Рис. 3. Циклограммы работы синхронных приводов:

а — непрерывно-заготовочного стана; б — трубопрокатного стана

дов второй группы приведены на рис. 3. Пуск этих при­ водов осуществляется, как правило, вхолостую, поэтому пусковой момент двигателя составляет Mn/MH=0,35-T- -1-0,40; М0,о5/Л1н=0,25-1-0,30, кратность максимального момента Мм/Л4п=1,5-т-2,5.

На трубопрокатных станах применяют синхронные двигатели типа МС-8—12-го габаритов, 2—5 MBA. На непрерывных станах находят применение двигатели ДСЗ-19—22-го габаритов. Для согласования окружных скоростей валков и устранения петлеобразования и под­ пора используется жесткая характеристика синхронных двигателей. Однако практика показала, что вследствие неравномерного износа валков рассогласование скоро­ стей неизбежно и устранить его при нерегулируемом приводе можно только изменением схемы калибровки. Поэтому на реконструируемых и строящихся непрерыв­ ных станах с одновременной прокаткой в нескольких клетях синхронные приводы заменяют регулируемыми приводами постоянного тока.

20

К группе электроприводов с пульсирующей нагруЗкой относятся приводы поршневых компрессоров. На металлургических заводах применяют поршневые ком­ прессоры мощностью 320—760 кВА. Осциллограмма ра­ боты привода поршневого компрессора приведена на рис. 4. Приводы пускаются вхолостую, пусковой момент Мп/.Мн=0,4, входной АГо.об/Мн— 0,2, кратность макси­ мального момента Мтах1Ма= 1,4.

В приводах поршневых компрессоров на металлур­ гических заводах применяют тихоходные синхронные

мощности; производство компрессоров с такими двига­ телями промышленностью освоено. Отметим, однако, что в металлургической промышленности число находя­ щихся в эксплуатации поршневых компрессоров сокра­ щается, что обусловлено знедрением более совершен­ ных турбокомпрессоров.

Группа электроприводов практически с неизменной*

иплавно изменяющейся нагрузкой включает в себя при­ воды турбомашин, насосов водоснабжения, турбоком­ прессоров, вентиляторов, эксгаустеров и дымососов, воз­ духодувок ТЭЦ. К этой же группе можно отнести при­ воды многочисленных преобразовательных агрегатов для питания вспомогательных механизмов в прокатных

идругих цехах. Диапазон мощностей приводов этой группы на металлургических заводах колеблется от 0,35

21

до 4 МВт. К приводам турбомашин предъявляют повы­ шенные требования в отношении входных моментов:

•Мо,о5/Мн= 0,8-М,2. Пусковой момент приводов турбо­ машин должен составлять Мп/Л1н=0,6-г-1,0, кратность максимального момента Мтах/Мн= 1,44-1,5.

В кислородно-компрессорных цехах широко исполь­ зуются в качестве приводов турбокомпрессоров быстро­ ходные синхронные двигатели типа СТМ, СТМП и СТД14 — 20-го габаритов мощностью 1,75— 18 МВт с числом оборотов 3000 об/мин. В стадии проектирования находят­ ся приводы турбокомпрессоров мощностью 25 МВт. На

пользуются синхронные двигатели МС и СДН мощно­ стью 0,95—1,17 MBA счисломоборотов750—3000об/мин. Мощность питательных насосов ТЭЦ достигает 25 МВт. Для привода воздуходувок ТЭЦ применяют синхронные двигатели СМА (4—5 МВт, 1000 об/мин).

В приводах всех турбомашин металлургических заводов приме­ няют нерегулируемые электроприводы. Производительность регули­ руют, как правило, дросселированиемн а стороне нагнетания. Однако известно, что к. п.д. турбомашины при таком способе регулирования резко снижается. Научно доказано, что наиболее совершенным ме­ тодом регулирования производительности турбомашин является из­ менение их скорости вращения. Причем не требуется, чтобы диапазон регулирования превышал 0,3—0,5 [15]. Поэтому в последнее время для некоторых установок больших мощностей наметилась тенденция перехода на регулируемые электроприводы ' [16]. Наиболее перспек­ тивны в этом отношении синхронные регулируемые электроприводы, находящиеся в стадии разработки [9, 10], и синхронные приводы с электромагнитной муфтой скольжения [17].

3. ВЕКТОРНЫЕ ДИАГРАММЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ СИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

. При построении векторных диаграмм двигателей пе­ ременного тока несколько упрощают реальные электро­ магнитные процессы; в частности, пренебрегают насыще­ нием магнитной цепи, что позволяет использовать в рас­ четах принцип наложения. Расчет с учетом насыщения выполняют только для конкретных установившихся ре­ жимов нагрузки машины, при этом магнитные сопротив­ ления системы принимают постоянными. Кроме того,

22

предполагают, что нагрузка фаз и система подводимого трехфазного напряжения симметричны, что дает возмож­ ность строить векторные диаграммы для одной фазы. Наконец, следует иметь в виду, что векторные диаграм­ мы строят для основных гармонических токов и напря­ жений, поэтому последние должны быть разложены в гармонический ряд Фурье. Что касается высших гармо­ ник, то ими при построении векторных диаграмм прене­ брегают.

С учетом перечисленных допущений уравнение рав­ новесия напряжений одной фазы неявнополюсного син­ хронного двигателя в комплексной форме имеет вид

где Uc— фазное напряжение, приложенное к обмот­ ке статора двигателя;

jxaI — индуктивное падение напряжения, обуслов­ ленное потоком реакции якоря;

jx0i — индуктивное падение напряжения в сопро­ тивлениях рассеяния;

га1 — активное падение напряжения в фазе ста­ тора;

Ef — основная э.д. с. возбуждения, которая ин­ дуктируется потоком возбуждения ротора; первая гармоническая этой э. д. с. опреде­ ляется по формуле

kB — коэффициент формы кривой индукции; при синусоидальном распределении

wt — число витков фазы обмотки;

f — промышленная частота тока, f= 5 0 Гц; kW0CH— обмоточный коэффициент для основной

гармонической;

—основная гармоническая магнитного пото­ ка, определяемая по формуле

23

h — коэффициент воздушного зазора;

kn— коэффициент насыщения магнитной цепи; б— зазор между статором и ротором; .

р— число пар полюсов машины;

х0 — индуктивное сопротивление рассеяния фазы статора, обусловленное пересечением обмот­ ки магнитными полями, замыкающимися в пазах и лобовых частях, а также высшими гармоническими полями в воздушном за­

зоре.

Индуктивное сопротивление рассеяния обмотки опре- ■деляется по формуле

h%

*а = 4 я ^ о К —pq (1-5)

где К— удельная магнитная проводимость для потока рассеяния на единицу расчетной длины маши­ ны, зависит от геометрических размеров воз­ душного зазора;

q — число пазов на полюс и фазу; р0— магнитная проницаемость,

24

Так как перечисленные выше магнитные поля замы­ каются в основном через воздушные пространства, вели­ чина Ха практически не зависит от насыщения стали.

Значения ха, ха и га приводятся в каталожных дан­ ных двигателя [18].

По уравнению (I— 1) на рис. 5, а построена вектор­ ная диаграмма основной гармонической напряжений, токов и намагничивающих сил (и. с.) на комплексной плоскости в перевозбужденном режиме. На диаграмме введены следующие обозначения:

Ff = W fI f — намагничивающая сила обмотки возбуж­ дения;

Wf — число витков обмотки возбуждения; 1^— сила тока возбуждения;

Faf —-намагничивающая сила обмотки возбуждения, эквивалентная н. с. обмотки якоря неявнополюс­ ного двигателя;

Fa f ^ k aFa-

ka— коэффициент приведения и. с. реакции якоря к н. с. обмотки возбуждения зависит от конструк­ тивных особенностей машины;

Fa— основная гармоническая н. с. обмотки якоря, оп­ ределяемая по формуле

'Fq— результирующая н.с. в зазоре двигателя, являю­ щаяся геометрической суммой н. с. обмотки возбужде­ ния и эквивалентной н. с. обмотки якоря;

F0= F , + Far,

0 — внутренний угол двигателя между основной э. д. с. и напряжением сети U.c.

Режим двигателя емкостный или индуктивный опре­ деляется соотношением намагничивающих сил обмотки возбуждения Ff (силы тока возбуждения) и- обмотки яко­ ря Fa (нагрузки статора). Современные синхронные дви­ гатели большой мощности проектируются для работы в номинальном режиме с перевозбуждением и создают для сети реактивную нагрузку емкостного характера.

Если в уравнении (I—1) пренебречь падением напря­ жения в активном сопротивлении обмоток статора, ко-

25

торое не превышает 1% от номинального напряжения, и обозначить xa-j-x а= х Сг где хс — синхронное сопротив­

ление, то векторная диаграмма двигателя, называемая упрощенной, приобретает вид, показанный на рис. 5, б.

Рис. 5. Векторные диаграммы неявнополюсного синхронного двигателя:

а — режим перевозбуждения; б — упрощенная векторная диаграмма

Уравнение равновесия напряжений явнополюсного синхронного двигателя в символической форме имеет вид

где Id— продольная составляющая силы тока статора;

1й —/ sin ф;

i q— поперечная составляющая силы тока статора;

/? = / СОЭф;

ф— угол между э. д. с. (Ef) и тодом, ф = ф ± 0 ;

xad, xaq— индуктивные сопротивления обмотки якоря по продольной и поперечной осям, отличающиеся друг от друга вследствие различной магнитной проводимости ротора по продольной и попе­ речной осям и определяемые по формулам:

xad xafed>

xaq ха^qi

kd, kq— коэффициенты формы поля продольной И поперечной реакций якоря, зависящие от конструктивных особенностей машины. .

26

По уравнению (1—6) на рис. 6,а построена вектор­ ная диаграмма напряжений, токов и н. с. фазы явнопо­ люсного синхронного двигателя в перевозбужденном ре­ жиме. На диаграмме приняты следующие обозначения:

где Fd— продольная составляющая н. с. якоря, опре­ деляемая по формуле

Яр

Fq— поперечная составляющая н. с. якоря;

kad, kaq — коэффициенты реакции якоря соответствен­ но по продольной и поперечной осям.

Рис. 6. Векторные диаграммы явнополюсного синхронного двигателя:

а —- перевозбужденный режим; б — векторная диаграмма без учета па­ дения напряжения в активном сопротивлении статора

27

Параметры xd и xq носят название синхронных ин­ дуктивных сопротивлений соответственно по продольной и поперечной осям и приводятся в паспортных данных двигателя1.

Обычно в уравнении (I— 12) пренебрегают падени­ ем напряжения в активном сопротивлении обмотки ста­ тора и векторную диаграмму, перестраивают, придавая ей вид, приведенный на рис. 6, б.

Анализ векторной диаграммы позволяет вывести не­ которые параметрические зависимости, имеющие прак­ тическое значение. Например, спроектировав вектор

ixq на оси координат, можно записать выражение для внутреннего угла 0

то можно записать выражение комплексной мощности, потребляемой двигателем из сети

В отношении x d это не вполне правильно, так как при изменении режима работы двигателя на его величину существенно влияет на­ сыщение магнитной цепи. В паспорте машины дается x d для нена­ сыщенной магнитной цепи.

28

Режиму перевозбужденного двигателя, т. е. генера­ ции в сеть реактивной мощности, соответствует выраже­ ние

S = 3 (UcIqcos 0 + UcIdsin 0) — 3/ (UcIdcos 0 —

Подставив в выражение (I—15') значение Iq и /*, по лучим

Активная мощность, потребляемая двигателем из се­ ти, равна вещественной части комплексной мощности

Реактивная мощность, отдаваемая в сеть или потреб­ ляемая из сети при недовозбуждении, равна числовому значению мнимой части комплексной мощности

29