Повышение эффективности использования
компенсирующей способности синхронных двигателей
ЩУЦКИЙ В. И., доктор техн. наук
Московский горный институт
ПОРОХНЯВЫЙ Б. Н., инж.
Специализированный трест «Сибцистмстэнерго», г. Красноярск
Опубликовано в в «Промышленной энергетике» №7, 1989
Управление режимами возбуждения синхронных двигателей (СД) способствует снижению неравномерности суточных графиков реактивных нагрузок, уменьшению потерь электроэнергии, улучшению ее качества у потребителей и существенному снижению платы за электроэнергию промышленными предприятиями [1].
Во многих случаях выполнение требований энергосистемы относительно потребления реактивной мощности связано с использованием полной компенсирующей способности СД в период максимальных нагрузок и недоиспользовании ее в период минимальных нагрузок. Возможность осуществления такого режима возбуждения должна провериться по условию нагрева обмоток соответственно ротора и статора каждого СД [2]:
| где α = Q/Qном – относительная загрузка СД реактивной мощностью; |
| β = Р/Рном – относительная загрузка СД активной мощностью; |
| P – активная мощность, потребляемая СД из сети, кВт; |
| Q – реактивная мощность, генерируемая или потребляемая СД, квар; |
| Pном – номинальная активная мощность СД, кВт; |
| Q ном – номинальная реактивная мощность СД, квар; |
| xd – реактивное сопротивление СД по продольной оси (в относительных единицах); |
Выражения (1) и (2) получены из условия недопустимости превышения номинальных значений токов статора и ротора СД. При этом принято, что значение напряжения статора СД также равно номинальному Uном.
В ряде случаев проверка по условиям (1) и (2) не исключает вероятности нарушения теплового режима СД. Например, при случайных набросах нагрузки происходит увеличение активной составляющей тока статора, а при снижении питающего напряжения — существенное увеличение реактивной составляющей [3, 4]. В результате этих и некоторых других изменений наблюдается повышение температуры обмотки и железа статора СД. В этих условиях весьма актуальной становится задача автоматического управления температурными режимами СД.
Для разработки логической цепи устройства управления введем следующие переменные: х1, х2 — температуры обмоток статора и ротора; х3, x4 — переменные величины, равные напряжению логической единицы при индуктивном и емкостном режимах СД; у1, у2 — функции выхода логической цепи, позволяющей нормализовать тепловой режим СД увеличением и снижением его тока возбуждения.
Приняв равенство переменных х1, х2 напряжению логического нуля при нормальном тепловом состоянии СД и напряжению логической единицы при его нарушении, можно показать, что функции выхода логической цепи описываются выражениями:
y1=x1x3
y2=x2+x1x4
Входные параметры х1, х2 могут быть измерены с помощью датчиков температуры или (при их отсутствии) получены путем моделирования [6]. Для измерения параметров х3, x4 может быть использован фазочастотный компаратор [7]. Один из возможных вариантов устройства управления тепловым состоянием СД приведен на рисунке.
Информационно-измерительная часть устройства содержит датчики тока возбуждения 1, тока статора 2 и напряжения 3, пороговый преобразователь 4, фазовый ком¬паратор 5, интеграторы 6 и 7 и компараторы напряжения 8, 9. В связи с тем, что между входом и выходом каждо¬го интегратора включены резисторы 10 и 11, напряжение на выходе интеграторов изменяется по закону, близкому к закону изменения температуры. Подключение интеграторов непосредственно к выходам датчиков тока позволяет более точно, чем в [6], моделировать тепловое состояние СД.
Датчики токов имеют аналоговый выход. Датчик напряжения, в качестве которого применяется преобразователь синус-меандр, используется, по существу, в качестве датчика опорных импульсов. Подаваемый с его выхода сигнал сравнивается в фазочастотном компараторе 5 с сигналом, поступающим от датчика тока 2 через пороговый преобразователь 4. При работе двигателя в индуктивном режиме на первом выходе компаратора 5 устанавливается напряжение логической единицы, на втором — логического нуля. В емкостном режиме уровни напряжения на выходах компаратора меняются на инверсные. С помощью компараторов напряжения 8 и 9 текущие значения температуры сравниваются с заданными. При превышении допустимой температуры на выходе соответствующего компаратора устанавливается напряжение логической единицы.
Логический блок 12 выполняет операции в соответствии с уравнениями (3). Таким образом, выходной сигнал у1 блока 12 равен напряжению логической единицы лишь в тех случаях, когда для нормализации теплового режима СД ток возбуждения увеличивается. Аналогично сигнал у2 равен напряжению логической единицы при уменьшении тока возбуждения.
С логического блока 12 сигналы поступают в блок управления 13, где в случае равенства логической единице они преобразуются в импульсные последовательности f1 и f2. Период следования импульсов может изменяться в широких пределах. Блок управления 13 обеспечивает также подачу импульсов на вход сложения или вычитания реверсивного счетчика 14 (в зависимости от того, следует увеличить или уменьшить ток возбуждения). Момент подачи первого импульса совпадает с моментом превышения температуры. Все последующие импульсы поступают через заданный интервал времени и изменяют предварительно записанный в счетчике код. В результате изменяется напряжение на выходе цифроаналогового преобразователя 15. Это напряжение, суммируясь с напряжением источника 16, поступает в систему импульсно-фазового управления полупроводникового возбудителя 17 и коррек¬тирует ток возбуждения СД. В момент, когда уровень напряжения сигнала у1 или у2 становится равным уровню логического нуля, коррекция тока возбуждения прекращается.
Устройство имеет также второй выход (на рисунке не показан), подключенный к схеме сигнализации или отключения СД. Напряжение на этом выходе формируется в тех случаях, когда коррекцией тока возбуждения нормализовать тепловое состояние СД не удается.
Управление тепловым состоянием является одним из резервов эффективного использования компенсирующей способности СД. Совместное управление режимами возбуждения и тепловым состоянием способствует поддержанию оптимального значения реактивной мощности, потребляемой предприятием. Кроме того, такое управление уменьшает количество аварийных отключений СД, увеличивает длительность их межремонтных периодов, снижает ущерб в основном технологическом производстве.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Порохнявый Б. Н. Программное управление возбуждением СД. — Промышленная энергетика, 1984, № 6.
2. Трошин В. А. Об ограничении тока возбуждения синхронных двигателей. — Изв. вузов. Электромеханика, 1967, № 3.
3. Петелин Д. П. Автоматическое регулирование возбуждения синхронных двигателей.—М.: Госэнергоиздат, 1961.
4. Архипенко В. В., Порохнявый Б. Н. Статические характеристики узла нагрузки с преобладанием синхронных двигателей с высоким отношением короткого замыкания. — В кн.: Оптимизация режимов электропотребления и повышение надежности электроснабжения промышленных предприятий. Красноярск: КПИ, 1980.
5. Гутников В. С. Интегральная электроника в измерительных устройствах.— Л.: Энергия, 1980.
7. А. с. 1223331 (СССР). Цифровой фазочастотный компаратор/ А. А. Лапатский, Б Н. Порохнявый. — Опубл. в Б. И., 1986, № 13.