CC BY
23
УДК 681.5:004.8:004.94
Д.А. НАГОВСЬКИЙ
Херсонська державна морська академiя
ДО ПИТАННЯ ЗАСТОСУВАННЯ СИНХРОННИХ ГЕНЕРАТОР1В В ПРОПУЛЬСИВНОМУ КОМПЛЕКС1 СУДНА В РЕЖИМ1 ДВИГУНА
В данш po6omi posamHymi проблеми застосовування без щткових синхронних senepamopie в умовах електромехатчного пропульсивного комплексу судна в peжимi двигуна. Розглянуто генератор в якoсmi вентильного двигуна, показан вже вiдoмi проблеми його пуску. У зв'язку з цим, запропоновано схему збудження та математично доведено, що запропонована схема мае позитивы результати щодо поставлено '1 проблеми. Як висновок, вказано, що введення в схему розрядного опору дозволяе значно зменшити струм через кероваш вeнmилi при пуску i синхротзаци i запоб^ае короткому замкненню випрямляча.
Ключoвi слова: генератор, пуск, синхронний, випрямляч, вентиль.
Д.А. НАТОВСКИЙ
Херсонская государственная морская академия
К ВОПРОСУ ПРИМЕНЕНИЯ СИНХРОННЫХ ГЕНЕРАТОРОВ В ПРОПУЛЬСИВНОМ КОМПЛЕКСЕ СУДНА В РЕЖИМЕ ДВИГАТЕЛЯ
В данной работе рассмотрены проблемы применения без щеточных синхронных генераторов в условиях электромеханического пропульсивной комплекса судна в режиме двигателя. Рассмотрены генератор в качестве вентильного двигателя, показаны уже известные проблемы его пуска. В связи с этим, предложена схема возбуждения и математически доказано, что предложенная схема имеет положительные результаты по поставленной проблемы. Как вывод, указано, что введение в схему разрядного сопротивления позволяет значительно уменьшить ток через управляемые вентили при пуске и синхронизации и предотвращает короткое замыкание выпрямителя.
Ключевые слова: генератор, пуск, синхронный, выпрямитель, вентиль.
DA NAGOVSKIY
Kherson State Marine Academy
TO THE QUESTION OF USE SYNCHRONOUS GENERATORS OF THE PROPULSION SYSTEMS
OF THE SHIP IN MOTOR MODE
The article deal with the problem of applying brushless synchronous generators in electromechanical propulsive complex of the ship in motor mode. Considered as a generator valve motor, the known problems of its launch are shown. In this regard, the scheme of excitement and mathematically proved that the proposed scheme has positive results on the problem. In conclusion, given that the introduction of the discharge circuit resistance can significantly reduce the current through the valves operated at start-up and synchronization and prevents short circuit rectifier.
Keywords: generator, start, synchronous, rectifier valve.
Постановка проблеми
Як вщомо, в сучасних суднових системах електропостачання в основному застосовуються безщггков1 синхронш генератори з обертаючими випрямлячами i синхронними збудниками. Одним з основних недолЫв таких систем являеться вщносно тривалий час регулювання напруги (струму збудження) i3^ велико! постшно! часу обмотки збудження збудника. Крiм того, в таких системах практично неможливо забезпечити збудження синхронного генератора при малих частотах обертання, а ввдповщно, не представляеться можливють використовування тако! машини при пуску в режимi вентильного двигуна.
Вщхилення напруги чинить вплив i на приймачi електрично! енергп шших видiв. Наприклад, по-рiзному реагують на вщхилення напруги обчислювальш цифровi машини, автоматичш пристро! з програмним управлшням, обчислювальш машини безперервно! ди i т.д.
Вельми чутливий до вщхилень i коливань напруги живлячо! мереж1 вентильний електропривод. Змша напруги змшного струму викликае змшу випрямлено! напруги, що приводить до змши частоти обертання двигуна i змши режиму роботи характеристик приводу.
Синхронш машини з безщггковими системами збудження з обертаючими випрямлячами знаходять все бшьше застосування. Таю машини можуть робити у вибухо- та пожеженебезпечному
середовищ^ на великих висотах, де дуже зношуються щетки, а також у вод^ Тому вони знайшли широке застосування в кораблебудуванш i аыацп. Крiм того, так синхроннi машини можуть знайти застосування в хiмiчно!, газово!, вугiльнiй та шших галузях промисловостi.
На сучасних суднах в якосп основних джерел електроенерги використовуються безщiтковi синхроннi генератори з обертаючими випрямлячами. Тому, особливий штерес представляе дослвдження можливостей використання таких генераторiв в режимi двигуна в електромехашчних пропульсивних комплексах. При цьому одним iз складних питань являеться пуск тако! машини.
Анаш останнiх досл1джень i публiкацiй На сучасних суднах в якосп основних джерел електроенерги (дизель-, вало-генераторiв i др.) використовуються безщiтковi синхроннi генератори з обертаючими випрямлячами. Тому, особливий штерес представляе дослщження можливостей використання таких генераторiв в режимi двигуна в електромехашчних пропульсивних комплексах. При цьому одним iз складних питань е пуск тако! машини. Проблеми пуску розглядались в [2,3,5]. Як вщомо iз [4],пусковi струми у вентилях в дешлька разiв вище за номiнал i можуть стати причиною виходу iз ладу нашвпровщникових елементiв. Тому питания пуску та синхрошзму машин велико! потужностi е складним та актуальним завданням.
Формулювання мети досл1дження Метою роботи було вивчення можливосп отримання покращених пускових характеристик безщiткових синхронних генераторiв в режимi двигуна та захисту вентилiв щдсзбудника.
Викладення основного матерiалу дослщження Як вiдомо з [1], типова схема збудження без щiткових синхронних генераторiв мае вид:
и V Щ
Рис. 1. Схема збудження синхронного генератора
Схема, зазначена на рис.1, мае светове розповсюдження i зустрiчаеться на багатьох суднах, але вона не шдходить до поставлено! задача Справа в тому,що пуск синхронно! машини мае ряд труднощiв [1,3]. Також, вентильш перетворювачi негативно впливають на як1сть електроенергi! в мережi судна (ввдхилення частоти, напруги). Тому доцiльно розглядати бесщiтковi синхронш генератори в режимi двигуна як синхроний електродвигун з урахуванням необхвдносп зменшення впливу вентилiв напоказники якосп електроенергi!.
Робота машини в режимi двигуна мае ряд особливостей. Як вщомо, при пуску синхронного двигуна його обмотка збудження повинна бути замкнутою або накоротко, або на розрядний отр, яке на щдсинхроннш швидкосп вимикаеться. Спец1альний контактор, який служить для ще! цiлi в звичайних схемах, одночасно пiдключае збуджував до клем обмотки ротора. У деяких випадках допускаеться глухе приеднання збудника до обмотки ротора.
Очевидно, що в безщiтковому двигунi внаслвдок односторонньо! провiдностi випрямляча i обертання вае! схеми нi який з цих способiв не застосовний (рис. 2).
вщ ДГ
ОЯ
Рис. 2. Модершзована принципова схема безщггкового синхронного двигуна
В розглядано! схемi розрядний опiр Яр тдключаеться до обмотки ротору за допомогою керованих вентилiв КВ.
При пуску позитивна натвхвиля змiнного струму обмотки збудження замикаеться через обертаючий випрямляч. Пiсля переходу струму через нуль напруга на обмотцi збудження рiзко збiльшуеться i, досягнув напруги спрацювання стабiлiтронiв, включених в ланцюги управлшня КВ, приводить до вщкриття останнiх. Пiсля проходження негативно! нашвхвит струму ротора через розрядний отр кероваш вентил1 зачиняються i процес повторюеться з частотою сковзання.
На щдсинхроннш швидкостi звичайна релейна схема, працююча в функцi! струму статора, замикае контактор QS i подае живлення на обмотку збудження збудника. В процес синхронiзацi! можливi один-два нашвперюда ввд'емного струму ротора, котрий замикаеться через розрядний опiр, але тсля включення контактора QS по цьому шляху мiг би пропкати i випрямлений струм збудника, перешкоджаючи закриттю керованих вентилiв.
Перемичка АВ, яка з'еднуе середню точку опору Яр з однiею з фаз збудника, забезпечуе перiодичне шунтування кожного керованого вентиля для вихвдних струмiв випрямляча. Пiсля dтягування двигуна в синхрошзм керованi вентил1 зачиняються i вщключають розрядний опiр.
Саме необхвдтсть обмеження струмiв короткого замикання збудника через ланцюг керованих вентилiв зумовила введення в схему розрядний опр, що привело до з'явлення при пуску постшно! складово! в струмi ротора.
Збудником для без щггкового синхронного двигуна е трифазний синхронний генератор обертального виконання. Внаслiдок роботи обмотки якоря на випрямляч струм якоря збудника мае неанусощальну форму. Вищi гармошчш фазного струму якоря можуть визвати додатковi втрати. Тому до блоку обертаючих вентилiв пред'являються наступнi специфiчнi вимоги:
а) стшшсть до впливу значних центробiжних прискорень i вiбрацiй;
б) мшмальна вага i габарити;
в) ввдсутшсть рухливих мехашчних контакпв як в силовому ланцюз^ так i в ланцюгах управлшня.
Цi вимоги практично вилучають застосування звичайних електромеханiчних апаратiв типу АГП, швидкодiючих автоматiв, реле i т.п. Крiм того, захист вентилiв вщ зворотних перенапруг не може бути забезпеченим звичайними електромеханiчними пристроями внаслвдок !х iнерцiйностi навiть в статичних випрямлячах.
В теперiшнiй час основними засобами захисту випрямляча ввд перенапруг в обертових системах являються лiнiйнi i нелiнiйнi опори, а також кероваш вентилi.
Дослвдження [1,3] показали, що за допомогою нелiнiйних опорiв з тервгга можливий ефективний захист нашвпровщникових статичних систем збудження синхронних двигушв.
Розрахунки, проведенi для двигуна 1000 кВт, показали, що при обмеженш напруги на к1льцях ротора до однакового рiвня (600 В) втрати в лiнiйному опорi в синхронному режимi перевищують втрати в нелшшному опорi в 230 раз.
Незважаючи на очевиднi переваги нелiнiйних опорiв, !х застосування в обертових системах в тепершнш час обмежено через вщсутшсть малогабаритних нелiнiйних опорiв для безщпжових синхронних машин.
При протiканнi по опору перехвдного струму ротора в момент пуску мае мюце повне запирання випрямляча при тако! умовi:
де ip - миттеве значения ввд'емного струму ротора; Е л - дшче значения лшшно! е.р.с. збудника.
Я
В т моменти часу, коли < , через опiр протiкае струм випрямляча, миттеве
значення якого дорiвнюе:
, тф - .
^ = Яр ' ()
де U тА - амплiтудне значення фазно! напруги збудника.
тф
Коли струм ротора стае рiвним нулю, струм випрямляча через onip Rp досягае свого
максимального значення:
2л/3и
тф
от x-j
Rp
При цьому електромагштний момент синхронного двигуна:
M = AU1B sin0 + B(U )sin20, (2)
де А,В - вiльнi коефщенти,
1в - струм збудження синхронного двигуна, U - напруга на статopi f - частота струму, в - кут вiдкpиття вентилiв
Таким чином, oснoвнi режими управлшня синхронним двигуном: 1. Регулювання синхронного двигуна при f = const; U = var; 1в = var, являеться найб№ш характерним для некерованого синхронного електроприводу[2]. Формула електромагштного моменту для цього випадку:
де Ci " ~; C2 - "ТГ
M - CXUIB sin в + C2U2 sin 20, (3)
A C - B f'C - f2
Для характеристики електромеханiчних властивостей тут зручно розглядати регулювання синхронного двигуна окремо при 1в = var; U = const i 1в = const; U = var.
2. Режим частотного регулювання синхронного електроприводу при U/f = const; 1в = var, а значення моменту визначаеться за формулою:
M - C1IB sin в + C2 sin 20, (4)
Г AU ■ Г V!(U \2
де C1 --f-, C2 - B(f-) •
3. Режим частотного регулювання синхронного електроприводу при U = const; 1в = const; f = var. Формула електромагштного моменту:
C C
—^sin в + C2 f f2
M - — sin в + sin 20, (5)
де C1 - AUIB; C2 -BU2.
З формули видно, що при знижених кутових швидкостях (частотах напруги статора) синхронний двигун володiе значним максимальним моментом.
Експерименти, проведенi на моделi синхронного збудника, п1дтверджують приведет стввщношення.
Висновки
Таким чином, тдпитка керованих вентил1в вiд випрямляча в момент синхрошзацп зменшуеться пропорцiйно зб№шенню кратностi розрядного опору. Дослiдження, проведет на безщгтковому синхронному двигунi, показали, що вже при пусках з трикратним опором в ланцюгу обмотки ротора струмами ввд збудника через КВ можна зневажити. Отже, для кратностей розрядних опорiв в1д трьох i вище вибiр КВ слад проводити за струмом асинхронного режиму.
При цьому треба ураховувати, що амплиуда i тривалiсть вiд'емно! напiвхвилi струму ротора також визначаеться величиною розрядного опору: зменшуеться при його збшьшенш.
Таким чином, введення в схему розрядного опору дозволяе значно зменшити струм через кероваш вентилi при пуску i синхронiзацil i запобiгае короткому замкненню випрямляча.
Ця обставина дае можливють застосувати безщiткову систему збудження для двигунiв з номiнальними струмами збудження, приблизно вдвiчi перевищуючими тривало допустимi струми найбiльш потужних керованих вентилiв, як1 випускаються в тепершнш час.
Список використано'1 л1тератури
1. Синчук О.Н., Захаров В.Ю., Михайличенко Д.А. Моделирование пуска неявнополюсного синхронного электрического двигателя // Електротехшчш та комп'ютерш системи. - 2012. -Вип. №08(84). - С. 24-30.
2. Черный А.П. Пусковые системы нерегулируемых электроприводов / Черный А.П., Гладарь А.И., Осадчук Ю.Г., Курбанов И.Р., Вошун А.Н - Кременчуг: ЧП Щербатых А.В., 2006. - 280 с.
3. Шрейнер Р.Т. Математическое моделирование электроприводов переменного тока с полупроводниковыми преобразователями частоты / Р.Т.Штейнер. - Екатеринбург: УРО РАН. -2000. - 654 с.
4. Низимов В.Б. Применение накопителей энергии для асинхронного пуска синхронных двигателей / В.Б. Низимов // Науковий вюник НГА Укра!ни. - 2000. - №1. - С. 49-51.
5. Пивняк Г.Г. О новом направлении усовершенствования крупных синхронных двигателей // Г.Г. Пивняк, В.И. Кириченко, В.А. Бородай / Техшчна електродинашка. Тематичний випуск „Проблеми сучасно! електротехшки" - К., 2002. - Ч. 2. - С. 62-65.
