RU2276448C1

RU2276448C1 - Method and device for synchronizing electric motor

Info

Publication number: RU2276448C1
Application number: RU2004134761/09A
Authority: RU
Inventors: Игорь Григорьевич Стрижков (RU); Игорь Григорьевич Стрижков; Александр Николаевич Трубин (RU); Александр Николаевич Трубин; Евгений Николаевич Чеснюк (RU); Евгений Николаевич Чеснюк; Сергей Игоревич Стрижков (RU); Сергей Игоревич Стрижков
Priority date: 2004-11-29
Filing date: 2004-11-29
Publication date: 2006-05-10
Also published as: RU2004134761A

Abstract

FIELD: electrical engineering; synchronous motor control devices.

SUBSTANCE: proposed method and device for synchronizing electric motor designed to reduce probability of severe accidents in case of failure of motor synchronization or fall out of synchronism depend on measurements of mechanical stresses in parts fastening motor frame to base proportional to motor braking torque with aid of strain-gage relay that sends signal for disconnecting synchronous-motor field circuit in response to rise of braking torque above threshold value followed by re-synchronization.

EFFECT: enhanced efficiency and reliability of synchronizing motors incorporating provision for current compounding in exciter.

2 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к электротехнике, в частности к устройствам управления синхронными двигателями.The invention relates to electrical engineering, in particular to control devices for synchronous motors.

Известен способ синхронизации синхронных двигателей, реализованный в патенте RU 2134480, Н 02 Р 21/00, опубл. 10.08.1999, заключающийся в том, что синхронизация двигателя осуществляется после асинхронного разгона двигателя до подсинхронной скорости включением возбуждения в определенный момент времени. Для определения момента включения возбуждения измеряется угол поворота оси ротора по отношению к полю статора и возбуждение включается в момент, когда угол принимает установленное значение. Известно устройство реализации этого способа управления по патенту RU 2134481, Н 02 Р 21/00, опубл. 10.08.1999.A known method of synchronizing synchronous motors, implemented in patent RU 2134480, N 02 P 21/00, publ. 08/10/1999, which consists in the fact that the engine is synchronized after asynchronous acceleration of the engine to a sub-synchronous speed by switching on the excitation at a certain point in time. To determine the moment the excitation is turned on, the angle of rotation of the axis of the rotor relative to the stator field is measured and the excitation is turned on at the moment when the angle takes the set value. A device for implementing this control method according to the patent RU 2134481, Н 02 Р 21/00, publ. 08/10/1999.

Недостатками указанного способа являются сложность реализации, требующая наличия электронных анализаторов угла расположения осей ротора и поля, а также возможность неуспешной синхронизации синхронных двигателей с автоматическим регулированием напряжения (АРВ), построенным на основе токового компаундирования, с аварийным торможением двигателя.The disadvantages of this method are the complexity of implementation, which requires electronic analyzers of the angle of the rotor and field axes, as well as the possibility of unsuccessful synchronization of synchronous motors with automatic voltage regulation (ARV), based on current compounding, with emergency engine braking.

Наиболее близким по технической сущности и принятым за прототип способом является способ синхронизации, описанный в кн. [Слодарж М.И. Режимы работы, релейная защита и автоматика синхронных электродвигателей. М.: Энергия, 1977]. Синхронизация двигателя с тиристорным возбудителем осуществляется в момент времени, когда магнитные оси поля статора совпадают с магнитной осью индуктора, для чего измеряется ЭДС в обмотке возбуждения при подсинхронной скорости.The closest in technical essence and adopted as a prototype method is the synchronization method described in the book. [Slodarzh M.I. Modes of operation, relay protection and automation of synchronous motors. M .: Energy, 1977]. The motor is synchronized with the thyristor exciter at the time when the magnetic axis of the stator field coincides with the magnetic axis of the inductor, for which the EMF in the field coil is measured at a sub-synchronous speed.

Недостатками прототипа являются:The disadvantages of the prototype are:

1) сложность и высокая стоимость устройства за счет устройств слежения за положением магнитных осей двигателя;1) the complexity and high cost of the device due to tracking devices for the position of the magnetic axes of the engine;

2) низкая надежность, обусловленная использованием сложной электронной схемы управления синхронизацией, работающей в условиях большого диапазона изменения тока и напряжения в обмотках статора и возбуждения при асинхронном пуске синхронного двигателя;2) low reliability due to the use of a complex electronic synchronization control circuit operating in a wide range of current and voltage variations in the stator and field windings during asynchronous start of a synchronous motor;

3) недостаточно высокое быстродействие, обусловленное временем, затрачиваемым на анализ положения магнитных осей машины.3) insufficiently high speed due to the time taken to analyze the position of the magnetic axes of the machine.

Известно применения тензореле для измерения механических напряжений сжатия и растяжения в элементах конструкции машин различного назначения [патент RU №02164669 «Тензорезистивный датчик силы», 7 G 01 L 1/22]. Типовая схема тензореле контроля механического напряжения в деталях машин описана в книге [В.И.Литвак. Тензореле. М.: Машиностроение, 1989]. Типовая схема тензореле содержит следующие блоки: упругие элементы, тензорезисторы, измерительную схему, источник питания, усилитель-преобразователь, исполнительный орган, в качестве которого может выступать электромагнитное реле или геркон.It is known the use of tensor for measuring mechanical compressive and tensile stresses in structural elements of machines for various purposes [patent RU No. 02164669 "Strain resistance sensor", 7 G 01 L 1/22]. A typical scheme of tensor control of mechanical stress in machine parts is described in the book [V.I. Litvak. Tensorele. M .: Engineering, 1989]. A typical tensor circuit contains the following blocks: elastic elements, strain gages, a measuring circuit, a power source, an amplifier-converter, an executive body, which can be an electromagnetic relay or a reed switch.

Патентный поиск не выявил применения тензореле в устройствах управления синхронизацией синхронных электродвигателей.Patent search did not reveal the use of tensor in synchronization control devices of synchronous electric motors.

Известно устройство синхронизации синхронного двигателя [Слодарж М.И. Режимы работы, релейная защита и автоматика синхронных электродвигателей. М.: Энергия, 1977, с.88], имеющего трехфазную обмотку статора, обмотку возбуждения и пусковую обмотку на роторе, выключатель в цепи обмотки статора для включения и выключения двигателя, возбудитель с полупроводниковым выпрямителем и приборами управления возбуждением, где для синхронизации синхронного двигателя напряжение возбуждения подается на обмотку возбуждения после асинхронного разбега двигателя и осуществляется автоматический контроль за процессом синхронизации.A device for synchronizing a synchronous motor [Slodarzh M.I. Modes of operation, relay protection and automation of synchronous motors. M .: Energia, 1977, p.88] having a three-phase stator winding, an excitation winding and a starting winding on the rotor, a switch in the stator winding circuit for turning the motor on and off, a pathogen with a semiconductor rectifier and excitation control devices, where for synchronizing a synchronous motor the excitation voltage is supplied to the excitation winding after the asynchronous run-up of the motor and automatic control of the synchronization process is carried out.

Недостатками такого устройства являются сложность и дороговизна, невысокая надежность, большая длительность процесса синхронизации при неуспешных попытках синхронизации, причины которых раскрыты при описании прототипа способа.The disadvantages of this device are the complexity and high cost, low reliability, a long duration of the synchronization process with unsuccessful synchronization attempts, the reasons for which are described in the description of the prototype method.

Технической задачей является повышение надежности и эффективности синхронизации синхронного двигателя.The technical task is to increase the reliability and efficiency of synchronization of a synchronous motor.

Решение задачи достигается тем, что в способе синхронизации синхронного двигателя, включающем контроль за процессом синхронизации на основе измерения переменной физической величины в детали конструкции электродвигателя, в качестве переменной физической величины используют механическое напряжение в деталях крепления электродвигателя к основанию, а отключение возбуждения двигателя для прерывания синхронизации производят при изменении направления механического напряжении в этих деталях и превышении механическим напряжением порогового значения, с последующим повторным включением возбуждения для синхронизации двигателя после выдержки времени.The solution to the problem is achieved by the fact that in the synchronization method of a synchronous motor, which includes monitoring the synchronization process based on measuring a physical variable in a motor construction part, mechanical stress is used as a variable of a physical quantity in the mountings of the motor to the base, and disabling the motor excitation to interrupt synchronization when the direction of mechanical stress in these parts is changed and the threshold is exceeded by mechanical stress Vågå values, followed by reintroduction of excitation to the motor after the synchronization holding time.

Реализация способа осуществляется устройством синхронизации, содержащим синхронный двигатель с трехфазной обмоткой на статоре и обмотками возбуждения и пусковой на роторе, основной выключатель для включения и выключения двигателя, возбудитель с выключателем возбуждения, приборами управления возбуждением, согласно изобретению имеет тензореле с двумя тензорезисторами, установленными на опорных деталях крепления с двух сторон станины двигателя, снабженное анализатором направления действия механического напряжения, при этом исполнительный орган тензореле включен в цепь питания привода выключателя возбуждения.The implementation of the method is carried out by a synchronization device containing a synchronous motor with a three-phase winding on the stator and field windings and a start on the rotor, a main switch for turning the engine on and off, a pathogen with a field switch, field control devices, according to the invention, has a tensor with two strain gauges mounted on supporting mounting parts on both sides of the engine bed, equipped with an analyzer of the direction of action of mechanical stress, while Yelnia body tenzorele included in drive power excitation circuit breaker.

По сравнению с прототипом способ обладает следующими отличительными признаками: в качестве физической переменной величины используется механическое напряжение в деталях крепления двигателя, сигнал на отключение возбуждения двигателя формируется при появлении первого признака торможения - тормозного момента, без затрат времени на оценку изменения косвенных признаков неуспешной синхронизации; устройства, реализующие предложенный способ, значительно проще устройств прототипа; тензореле в устройстве управления синхронным двигателем ранее не применялось. Таким образом, способ и устройство обладают признаками, соответствующими критерию «изобретательский уровень».Compared with the prototype, the method has the following distinctive features: mechanical stress is used as a physical variable in the engine mounts, a signal to turn off the excitation of the engine is generated when the first sign of braking appears - the braking moment, without spending time on evaluating the change in indirect signs of unsuccessful synchronization; devices that implement the proposed method are much simpler than prototype devices; The tensor switch in the synchronous motor control device was not previously used. Thus, the method and device have features that meet the criterion of "inventive step".

Сущность изобретения поясняется чертежами на фиг.1 и 2. На фиг.1 представлена схема синхронного двигателя и устройств управления; на фиг.2 представлена блок-схема тензореле заявленного устройства.The invention is illustrated by drawings in figures 1 and 2. Figure 1 presents a diagram of a synchronous motor and control devices; figure 2 presents a block diagram of the tensor of the claimed device.

Синхронный двигатель с горизонтальным валом (фиг.1) имеет станину 1, которая с помощью двух деталей крепления (лап) 2 и 3 крепится на основании машины 4 (фундаменте). Ротор 5 двигателя сочленен с рабочей машиной через передаточный орган (два последних на чертеже не показаны). На лапах 2 и 3 установлены тензорезисторы (датчики) 6 и 7 механического напряжения лап. Тензорезисторы воспринимают напряжения сжатия и растяжения в лапах от действия крутящего момента станины. Тензорезисторы 6 и 7 проводниками 8 соединены с электронным блоком тензореле 9. Выключатель 10 обеспечивает включение и выключение двигателя. Возбудитель 11 обеспечивает возбуждение двигателя с автоматическим регулированием по заданному закону в синхронном режиме и синхронизацию двигателя при запуске и ресинхронизации, для чего имеет встроенный выключатель возбуждения, функцию которого может выполнять регулируемый выпрямитель или отдельный коммутационный аппарат. Реле времени 12 обеспечивает выдержку времени для повторной синхронизации двигателя при пуске и ресинхронизации.A synchronous motor with a horizontal shaft (Fig. 1) has a frame 1, which, using two fastening parts (paws) 2 and 3, is mounted on the base of the machine 4 (foundation). The rotor 5 of the engine is coupled to the working machine through a transmission member (the latter two are not shown in the drawing). On paws 2 and 3 installed strain gages (sensors) 6 and 7 of the mechanical tension of the paws. Strain gages perceive compressive and tensile stresses in the paws from the action of the torque of the bed. The strain gauges 6 and 7 by conductors 8 are connected to the electronic unit of the tensor 9. The switch 10 provides for turning the engine on and off. Exciter 11 provides excitation of the motor with automatic regulation in accordance with a given law in synchronous mode and synchronization of the motor at start-up and resynchronization, for which it has a built-in excitation switch, the function of which can be performed by an adjustable rectifier or a separate switching device. The time relay 12 provides a time delay for resynchronization of the engine during start-up and resynchronization.

Электронный блок тензореле 9 (фиг.2) (далее тензореле) содержит измерительную схему 13, получающую питание от источника питания 14 и соединенную проводниками 8 с тензорезисторами 6 и 7, установленными на лапах 2 и 3 двигателя, анализатор направления момента двигателя 15, определяющий, какое из электрических сопротивлений тензорезисторов 6 и 7 больше, усилитель электрических сигналов 16, так же, как и схема 13, получающий питание от источника 14. Измерительная схема 13 передает электрический сигнал анализатору направления момента 15, усилителю 16 и далее исполнительному органу 17, в качестве которого может использоваться электромагнитное реле или геркон. Исполнительный орган 17 своим размыкающим контактом воздействует на цепь управления возбудителя 11, вызывая снятие возбуждения двигателя.The electronic unit of the tensor switch 9 (Fig. 2) (hereinafter referred to as the tensor switch) contains a measuring circuit 13, powered by a power source 14 and connected by conductors 8 to the strain gauges 6 and 7 mounted on the legs 2 and 3 of the engine, an engine moment direction analyzer 15 determining which of the electrical resistances of the strain gages 6 and 7 is greater, the electric signal amplifier 16, as well as the circuit 13, which is powered by the source 14. The measuring circuit 13 transmits an electrical signal to the moment direction analyzer 15, the amplifier 16 and further the executive body 17, which can be used as an electromagnetic relay or reed switch. The Executive body 17 with its opening contact acts on the control circuit of the pathogen 11, causing the removal of the excitation of the engine.

В качестве измерительной схемы 13 может использоваться четырехплечий измерительный мост постоянного тока, с включением тензорезисторов 6 и 7 в смежные плечи моста. Полярность электрического напряжения на выходе моста определяется направлением изменения электрического сопротивления тензорезисторов 6 и 7. В качестве анализатора направления момента 14 может использоваться диод.As the measuring circuit 13 can be used four-arm measuring bridge DC, with the inclusion of the strain gauges 6 and 7 in the adjacent shoulders of the bridge. The polarity of the electrical voltage at the output of the bridge is determined by the direction of change of the electrical resistance of the strain gages 6 and 7. As a moment direction analyzer 14, a diode can be used.

Новой является область применения тензореле для управления синхронизацией двигателя. Новизна конструктивной схемы тензореле заключается во введении анализатора направления момента 15, позволяющего адаптировать тензореле к задаче управления синхронизацией двигателя.A new area of application is the tensor for controlling motor synchronization. The novelty of the tensor switch design scheme is the introduction of the moment direction analyzer 15, which allows the tensor to be adapted to the task of controlling engine synchronization.

Способ и устройство синхронизации синхронного двигателя имеют следующий принцип работы.The method and device for synchronizing a synchronous motor have the following principle of operation.

У отключенного двигателя на лапы 2 и 3 действует сила тяжести двигателя, создавая в них примерно одинаковое механическое напряжение сжатия.At the switched off engine, the gravity of the engine acts on the legs 2 and 3, creating approximately the same mechanical compression stress in them.

При пуске и нормальной работе двигателя на его ротор 5 действует крутящий момент М_дв, направленный по направлению вращения ротора 5. Такой же по величине и противоположно направленный момент М_ст действует на станину 1, вызывая перераспределение механического напряжения в лапах 2 и 3 двигателя: на набегающей лапе 2 сжатие уменьшается (или переходит в растяжение), на сбегающей лапе 3 сжатие усиливается. Разность механических напряжений в лапах 2 и 3 пропорциональна крутящему моменту М_ст.During engine start-up and normal operation, its rotor 5 is affected by a torque M _d directed in the direction of rotation of the rotor 5. The same magnitude and opposite directed moment M _st acts on the frame 1, causing a redistribution of mechanical stress in the legs 2 and 3 of the engine: on the approaching paw 2, the compression decreases (or goes into tension), on the approaching paw 3, the compression is enhanced. The difference in mechanical stresses in the legs 2 and 3 is proportional to the torque M _st .

Аварийное торможение двигателя при синхронизации или при выпадении из синхронизма возникает вследствие появления электромагнитного тормозного момента, который является результатом взаимодействия токов статора I и возбуждения I_f при неблагоприятном расположении оси индуктора по отношению к полю статора. При этом направление моментов, действующих на ротор 5 и станину 1, изменяется на противоположное. В этом случае усиливается сжатие лапы 2 и уменьшается сжатие лапы 3 с возможной сменой знака этих механических напряжений (т.е. перехода от растяжения к сжатию и наоборот). Это изменение механических напряжений фиксируется тензореле 9 и последнее подает возбудителю 11 команду на отключение возбуждения. Аналогичного по характеру и величине изменения механических напряжений в лапах 2 и 3 не происходит при других возможных режимах синхронного двигателя и потому является однозначным признаком неуспешной синхронизации или выпадения из синхронизма с аварийным торможением двигателя.Emergency braking of the motor during synchronization or in case of loss of synchronism occurs due to the appearance of electromagnetic braking torque, which is the result of the interaction of the stator currents I and the excitation I _f if the axis of the inductor is not located in relation to the stator field. In this case, the direction of the moments acting on the rotor 5 and the frame 1, is reversed. In this case, the compression of the paw 2 is enhanced and the compression of the paw 3 is reduced with the possible change of sign of these mechanical stresses (i.e., the transition from tension to compression and vice versa). This change in mechanical stress is fixed by the tensor 9 and the latter gives the pathogen 11 a command to turn off the excitation. A similar in character and magnitude change in mechanical stresses in paws 2 and 3 does not occur with other possible modes of the synchronous motor and therefore is a clear sign of unsuccessful synchronization or loss of synchronism with emergency engine braking.

Блок-схема, представленная на фиг.2, работает следующим образом.The block diagram presented in figure 2, operates as follows.

При успешной синхронизации и нормальной работе двигателя в синхронном режиме в лапе 3, как упругом элементе, механическое напряжение больше, чем в лапе 2, соответственно электрическое сопротивление тензорезистора 6 меньше, чем тензорезистора 7. Измерительная схема 13 реагирует на такое изменение величины сопротивления тензорезисторов появлением отрицательного электрического сигнала на выходе, который подается на анализатор направления момента 15. Анализатор 15 не передает отрицательный сигнал усилителю 16 и исполнительное реле 17 не получает сигнал на размыкание цепи управления возбудителем 11. Возбудитель 11 подает ток возбуждения I_f в обмотку возбуждения двигателя.With successful synchronization and normal operation of the engine in synchronous mode in the foot 3, as an elastic element, the mechanical stress is greater than in the foot 2, respectively, the electrical resistance of the strain gauge 6 is less than the strain gauge 7. The measuring circuit 13 responds to such a change in the resistance value of the strain gages by the appearance of a negative an electrical signal at the output, which is fed to the direction analyzer of the moment 15. The analyzer 15 does not transmit a negative signal to the amplifier 16 and the actuating relay 17 is not received There is a signal to open the control circuit of the pathogen 11. The pathogen 11 supplies the excitation current I _f to the motor excitation winding.

При неуспешной синхронизации и появлении тормозного момента, вызывающего аварийное торможение двигателя, механические напряжения в упругих элементах изменяются: в лапе 2 оно становится больше, чем в лапе 3, электрическое сопротивление тензорезистора 6 становится больше, чем тензорезистора 7, измерительная схема 13 реагирует на это изменение величины электрического сопротивления тензорезисторов сменой знака и величины выходного сигнала, анализатор направления момента 15 передает положительный электрический сигнал на вход усилителя 16. Усиленный сигнал передается исполнительному органу 17, который размыкает электрический контакт в цепи управления возбудителя 11, вызывая снятие возбуждения с двигателя (I_f=0) и устраняя тем самым тормозной электромагнитный момент двигателя. Двигатель в асинхронном режиме выходит на подсинхронную скорость вращения.With unsuccessful synchronization and the appearance of a braking torque that causes emergency braking of the engine, the mechanical stresses in the elastic elements change: in the foot 2 it becomes greater than in the foot 3, the electrical resistance of the strain gauge 6 becomes greater than the strain gauge 7, the measuring circuit 13 responds to this change the magnitude of the electrical resistance of the strain gages by changing the sign and the magnitude of the output signal, the moment direction analyzer 15 transmits a positive electrical signal to the input of the amplifier 16. Us The leaked signal is transmitted to the executive body 17, which opens the electrical contact in the control circuit of the pathogen 11, causing the excitation to be removed from the engine (I _f = 0) and thereby eliminating the braking electromagnetic moment of the engine. The motor in asynchronous mode goes to a sub-synchronous speed.

Реле времени 12 с выдержкой времени подает сигнал возбудителю 11 на повторное включение возбуждения, и цикл синхронизации повторяется. При неуспешной повторной синхронизации опять происходит отключение возбуждения по вышеописанному алгоритму; в случае успешной синхронизации возбудитель 11 остается подключенным к обмотке возбуждения двигателя. Таким образом, двигатель синхронизируется одним или несколькими включениями возбуждения.The time relay 12 with a time delay gives a signal to the pathogen 11 to re-enable the excitation, and the synchronization cycle is repeated. In case of unsuccessful re-synchronization, excitation is again switched off according to the above-described algorithm; in case of successful synchronization, the pathogen 11 remains connected to the field winding of the motor. Thus, the motor is synchronized with one or more excitation switches.

Повышение эффективности синхронизации достигается увеличением быстродействия при отключении возбуждения, поскольку появление тормозного момента обнаруживается в самый начальный период аварийного торможения при неуспешной синхронизации, а тензореле 9 обладает высоким быстродействием, поскольку не имеет инерционных элементов. При этом скорость двигателя остается близкой к подсинхронной, что позволяет делать повторную синхронизацию после малой выдержки времени. При нескольких (в опыте, не более трех) повторных попытках синхронизация происходит надежно.An increase in the synchronization efficiency is achieved by increasing the speed when the excitation is turned off, since the appearance of the braking moment is detected in the very initial period of emergency braking during unsuccessful synchronization, and the tensor 9 has high speed, since it does not have inertial elements. In this case, the engine speed remains close to sub-synchronous, which allows re-synchronization after a short time delay. With several (in the experiment, no more than three) retries, synchronization occurs reliably.

Высокая надежность устройства определяется, с одной стороны, однозначностью признака неуспешной синхронизации (аварийного торможения) двигателя, большим диапазоном изменения механических напряжений в лапах 2 и 3 двигателя, что обусловливает надежное срабатывание тензореле 9, и, с другой стороны, высокой конструктивной надежностью тензореле 9.High reliability of the device is determined, on the one hand, by the uniqueness of the sign of unsuccessful synchronization (emergency braking) of the engine, a large range of changes in mechanical stresses in the legs 2 and 3 of the engine, which determines the reliable operation of the tensor 9, and, on the other hand, the high structural reliability of the tensor 9.

Использование изобретения повышает надежность работы синхронного двигателя, упрощает и удешевляет устройство синхронизации.The use of the invention improves the reliability of the synchronous motor, simplifies and reduces the cost of the synchronization device.

Claims

1. The synchronization method of a synchronous motor, including monitoring the synchronization process based on measuring a physical variable in the construction details of the synchronous motor, characterized in that mechanical voltage is used as the variable physical quantity in the mounting parts of the synchronous motor to the base, and the excitation of the synchronous motor for interruption of synchronization is produced when the direction of the mechanical stress in these parts is changed and the mechanical stress is exceeded threshold followed by reintroduction of excitation for synchronizing the synchronous motor after a time delay.

2. A synchronization device containing a synchronous motor with a three-phase winding on the stator and excitation windings and a start on the rotor, a main switch for turning the synchronous motor on and off, an exciter with a built-in excitation switch, which provides excitation of the synchronous motor with automatic excitation regulation according to a given law in the synchronous the mode and synchronization of the motor at start-up and resynchronization and supplies the excitation current to the excitation winding of the synchronous motor, I distinguish it consists in that it has a tensor with two strain gauges mounted on supporting parts on two sides of the frame of the synchronous motor, equipped with a mechanical stress direction analyzer that determines which electrical resistance of the strain gauges is greater and transmits a signal to the actuator tensor, which is included in the drive power supply circuit built-in excitation switch, time relay, which, with a time delay, gives a signal to the pathogen to re-enable excitation for synchronization cation of a synchronous motor.