УДК 621.3.07
1 ООО «Газпром трансгаз Сургут», г. Сургут, Российская Федерация
2 ООО НТЦ «Промышленная энергетика», г. Иваново, Российская Федерация
3 ФГБОУВО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина», г. Иваново, Российская Федерация
Способ управления током возбуждения как средство обеспечения устойчивости работы синхронного двигателя
А.Л. Жеребцов1, В.Ю. Чуйков2, А.А. Шульпин3
Е-mail: promenergo@ivpromenergo.ru
Авторское резюме
синхронный двигатель возбуждение аварийный
Состояние вопроса: Использование мощных синхронных двигателей в узлах нагрузки предъявляет особые требования к повышению устойчивости работы, а также к системам автоматического регулирования возбуждения. Разработаны и используются способы повышения устойчивости синхронных двигателей за счет обеспечения быстродействия автоматического регулирования возбуждения в аварийных режимах и регулирования напряжения возбуждения. Однако данные способы не учитывают возможности перерегулирования при снижении тока возбуждения после режима форсировки и выхода синхронных двигателей из синхронизма. В связи с этим актуальной задачей является разработка алгоритма, исключающего режим перерегулирования, и способа управления током возбуждения синхронных двигателей.
Материалы и методы: В процессе исследования использованы методы математического моделирования с использованием дифференциальных уравнений, реализованных в программно-техническом комплексе Simulink (MatLAB). При разработке математической модели сделаны допущения: отсутствие насыщения магнитных цепей, потерь в стали и вытеснения тока в обмотках, синусоидальное распределение в пространстве магнитных индукций, независимость индуктивных сопротивлений рассеяния для синхронных двигателей, постоянство параметров трансформаторов при внешних воздействиях на магнитные поля; представление внешней питающей сети источником бесконечной мощности.
Результаты: В отличие от известных способов регулирования, разработан алгоритм, исключающий эффект перерегулирования, и реализован способ управления током возбуждения синхронных двигателей с регулируемой скоростью развозбуждения и контролем угла нагрузки синхронных двигателей в послеаварийных режимах. Получены численные решения и выполнен их анализ. Достоверность результатов, полученных с использованием математического моделирования, подтверждена экспериментальными данными.
Выводы: Разработанный способ управления током возбуждения синхронных двигателей позволяет повысить устойчивость их работы в послеаварийных режимах при минимальных потерях в статоре и предотвращения перегрева ротора. Предложенный способ управления током возбуждения синхронных двигателей, исключающий эффект перерегулирования, обеспечивает решение практической задачи повышения устойчивости работы мощных синхронных двигателей.
Ключевые слова: системам автоматического регулирования возбуждения, синхронный двигатель, режим форсировки, ток возбуждения, эффект перерегулирования управления током возбуждения синхронных двигателей.
Abstract
Background: Use the powerful synchronous engines (SD) in nodes of the load presents the special requirements to increasing of stability of the work, as well as system of the automatic regulation of excitement (ARV). It Is Designed and used ways of increasing to stability SD to account of the ensuring the speed ARV in emergency mode and regulations of the voltage of excitement. However, these methods do not take into account the possibility of over-regulation with a decrease in the excitation current after the forcing mode and the release of SD from synchronism. In this connection actual problem is a development of the algorithm excluding mode of the overtravel and way by management current excitement SD.
Materials and methods: Methods of mathematical modeling are used In process of the study with use the differential equations marketed in software-technical complex Simulink (MatLAB). At development of the mathematical model are made admissions: absence of the saturation of the magnetic chains, losses in steels and displacing the current in winding, sinusoidal distribution in the space of magnetic induction, independence of the inductive resistances of the dissipation for SD, constancy parameter transformer under external influence on magnetic fields; the presentation external supplying network by source to endless power.
Results: Unlike the known ways of the regulation is designed algorithm, exclusive effect of the overtravel, and marketed way by management current excitement SD with controlled velocity the output of the boost and checking the corner of the load SD in post-accident mode. They Are Received numerical decisions and is executed their analysis. Validity result, got with use of mathematical modeling, is confirmed experimental data.
Conclusions: The Designed way by management current excitement SD allows to raise stability of the work SD in post-accident mode under minimum loss in the stator and prevention of the overheat of the rotor. The Offered way of management current excitement SD exclusive effect of the overtravel provides the decision of the practical problem of increasing to stability of the work powerful SD.
Key words: stability, synchronous motor, forcing mode, …
Мощные синхронные двигатели (СД) в силу ряда технико-экономических преимуществ широко используются для привода различных механизмов в различных промышленных отраслях, в том числе и в газовой отрасли в качестве электропривода нагнетателей газоперекачивающих агрегатов (ЭГПА).
При эксплуатации СД имеется возможность перехода синхронной машины в асинхронный режим работы вследствие нарушения статической или динамической устойчивости. Основными причинами нарушения статической (динамической) устойчивости являются большие набросы момента на валу и глубокие посадки напряжения.
Важную роль в сохранении устойчивости играет быстродействие релейной защиты и систем АРВ СД.
В зависимости от схемы питающей сети, схемы узла нагрузки и режимов работы синхронных двигателей регулирование их возбуждения может осуществляться в зависимости от изменения следующих параметров [1]:
1) напряжения в узле нагрузки (Uш = const);
2) тока статора или внутреннего угла и их производных;
3) нескольких параметров при одновременном (или селективном по времени) воздействии сигналов управления на обмотку возбуждения двигателей;
4) реактивной мощности Qдв, отдаваемой двигателем, с поддержанием Qдв = const (постоянство отдачи Qдв);
5) коэффициента мощности (cos = const).
Выбор того или иного способа управления зависит от характера нагрузки двигателя и качественных показателей сети электроснабжения. При относительно стабильной нагрузке и наличии колебаний напряжения или мощности питающей сети предпочтение отдается способу управления по отклонению напряжения на шинах статора, при переменной нагрузке с амплитудой, - близкой к номинальной мощности двигателя, - по углу нагрузки, а при недогруженном двигателе - более экономичным оказывается управление по отклонению cosц двигателя от единицы [2-6].
Однако данные способы не учитывают возможности перерегулирования при снижении тока возбуждения регулятором после режима форсировки и вероятности выхода СД из синхронизма.
При изменении нагрузки в пределах статической устойчивости, т. е. при углах нагрузки , меньших 70-90о, можно считать параметры и активного тока Iа эквивалентными для регулирования. При нагрузках за пределом статической устойчивости активный ток будет уменьшаться, в то время как необходимо увеличивать ток возбуждения. В этих режимах, возникающих при пониженном возбуждении, регулирование по углу нагрузки оказывается более эффективным. Регулирование по cos менее целесообразно (чем изменение реактивной мощности) ввиду меньшего относительного изменения угла , и трудно достичь необходимой точности для обеспечения эффективности регулирования [7].
На объектах газовой промышленности установлено значительное количество устройств АРВ с цифровым управлением типа ВТЦ-СД. Основной режим регулирования возбудителей ВТЦ-СД реализует совместную работу двух контуров: контура обеспечения динамической устойчивости двигателя по изменению напряжения статора и контура регулирования по коэффициенту мощности (сos) [8].
На компрессорных станциях (КС) находят применение полнонапорные и неполнонапорные центробежные нагнетатели. Схемы обвязки неполнонапорных нагнетателей приведены на рис. 1. Для получения необходимой степени сжатия газа в этих схемах газ после выхода из одного нагнетателя сразу же поступает на вход другого нагнетателя (рис. 1,а) либо на коллектор (рис. 1,б).
Необходимый расход газа через КС при смешанной схеме достигается параллельной работой нескольких групп ГПА. При остановке в группе одного неполнонапорного ГПА требуется выводить в режим «кольцо» и второй агрегат.
Работа СД в группе несет определенные риски, а именно: при малейшем воздействии возмущающих факторов (просадка напряжения, резкий перепад давления и т. п.) один из СД группы влияет на устойчивость работы другого.
а) б)
Рис. 1. Схемы работы синхронного электродвигателя СТД-12500 с неполнонапорными нагнетателями: а - смешанная схема; б - коллекторная схема; 1 - входной трубопровод; 2 - выходной трубопровод; 3 - неполнонапорный нагнетатель; 4 - синхронный электродвигатель СТД-12500; 5 - коллектор
При определенных ситуациях воздействия любого из возмущающих факторов это приводит к взаимному раскачиванию СД с возможным выходом из режима синхронизма и их останову. Также одной из причин самораскачивания СД может стать неудачный выбор закона регулирования возбуждения или коэффициентов усиления по отдельным каналам регулирования [9].
Методы исследования. Для удержания СД в синхронизме в случаях снижения напряжения ниже допустимого значения в возбудительном устройстве предусмотрен режим форсировки, обеспечивающий мгновенное увеличение тока ротора выше номинального. При этом имеется возможность перерегулирования при снижении тока возбуждения регулятором после режима форсировки и вероятность выхода СД из синхронизма.
Согласно ГОСТ 24688-81 ГОСТ 24688-81. Возбудители статические полупроводниковые для трехфазных синхронных двигателей. Общие технические требования., возбудители должны обеспечивать форсировку возбуждения кратностью не менее 1,4 номинального тока возбуждения при пониженном до 0,8 номинальном напряжении питающей сети возбудителя или 1,75 - при номинальном напряжении сети.
В момент снижения напряжения происходит мгновенный рост тока статора, угол между током и напряжением статора становится отличным от нуля, синхронный двигатель оказывается недовозбужденным и наступает вероятность выхода из синхронизма. ПИД-регулятор возбудителя не всегда в состоянии быстро отреагировать на протекание указанного процесса, поэтому в таких случаях форсировка является единственным способом сохранить устойчивость и предотвратить аварийный останов СД.
Еще одно условие включения режима форсировки наступает при возникновении перегрузки на валу ротора синхронного двигателя. Изменение тока возбуждения отстает от изменения напряжения, приложенного к обмотке ротора. Поэтому расфорсировка при глубоком снижении напряжения может привести к тому, что в послеаварийный период, когда угол нагрузки по инерции еще продолжает увеличиваться, ток возбуждения не успеет достаточно возрасти и форсировочная способность двигателя после аварийного режима, например КЗ, фактически не будет использована полностью [9].
Для управления током возбуждения производители возбудителей в программное обеспечение закладывают математическую функцию, которая описывает принцип работы ПИД-регулятора. В общем случае формула выходного сигнала ПИД-регулятора выглядит следующим образом:
(1)
где t - время; Кр, Ti, Td - пропорциональный коэффициент (безразмерный), постоянная интегрирования(размерность времени) и постоянная дифференцирования (размерность времени) регулятора.
Подобрав коэффициенты Кр, Ti, Td, можно оптимизировать качество работы регулятора: уменьшить время выхода на задание; снизить влияние внешних возмущений; уменьшить отклонение от задания. При очень большой величинеTi регулятор медленно выводит объект на задание. При малом Ti происходит перерегулирование, т.е. регулируемый параметр Х проскакивает задание, а затем сходится к нему.
Одним из требований в отношении динамических характеристик систем автоматического регулирования (САР) является требование к качеству переходного процесса. Прямыми показателями качества переходного процесса являются перерегулирование, время регулирования, колебательность процесса, установившаяся ошибка, характер затухания переходного процесса, которые определяются по кривой h(t) (рис. 2,а) [10].
На рис. 2,б показаны характеристики переходного процесса устойчивой системы автоматического регулирования при изменении уставки регулятора, т.е. при таком воздействии, когда регулируемая величина должна прийти к своему новому заданному значению.
а) б)
Рис. 2. Переходные режимы и показатели качества САР: а - определение показателей качества (перерегулирование, время регулирования, установившаяся ошибка); б - переходные процессы САР
Колебательный переходный процесс (рис. 2,б, кривая 1) по техническим условиям иногда может оказаться недопустимым. В таких случаях следует настраивать систему на апериодический переходный процесс (рис. 2,б, кривые 2, 3). В то же время, несмотря на колебательность переходного процесса, быстродействие такой системы может быть выше, чем у апериодически настроенной САР