RU2317627C1

RU2317627C1 - Method for pulling in step synchronous motor having double winding on stator

Info

Publication number: RU2317627C1
Application number: RU2006134390/09A
Authority: RU
Inventors: Игорь Григорьевич Стрижков; Александр Николаевич Трубин; Иосиф Андреевич Потапенко; Людмила Григорьевна Стрижкова
Priority date: 2006-09-27
Filing date: 2006-09-27
Publication date: 2008-02-20

Abstract

FIELD: synchronizing electrical machines; pulling in step synchronous motors having double winding on stator.

SUBSTANCE: proposed method for pulling in step synchronous motor having three-phase winding and additional three-phase winding on stator by connecting field winding to power supply incorporating supply mains, switch, mentioned additional three-phase stator winding, and three-phase rectifier as soon as motor has gained subsynchronous speed; switch-controlled thyristors are used in one of rectifier phases; they are cut off for the period of synchronization to disconnect one of additional three-phase stator winding phases in field winding circuit followed by changing thyristors over to conductive state upon completion of synchronization.

EFFECT: enhanced reliability of motor synchronization due to reduced degree of excitation-system current compounding and current asymmetry in additional three-phase winding during synchronization.

1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к синхронным машинам, а более конкретно к способам и устройствам управления синхронизацией синхронного двигателя с двойной обмоткой на статоре.The invention relates to synchronous machines, and more particularly to methods and devices for controlling synchronization of a double winding synchronous motor on a stator.

Синхронные двигатели находят широкое применение для привода турбомеханизмов. В приводе насосов сельхозмелиорации и в других областях к ним предъявляются требования минимальной сложности конструкции и затрат при эксплуатации. Этим требованиям отвечает синхронный двигатель по авторскому свидетельству СССР №1694038, Н02К 19/12, 1995 г.Synchronous motors are widely used to drive turbo-mechanisms. In the drive of pumps for agricultural reclamation and in other areas, they are subject to the requirements of minimum design complexity and operating costs. These requirements are met by a synchronous motor according to USSR author's certificate No. 1694038, Н02К 19/12, 1995.

К недостаткам этой машины следует отнести наличие двух выпрямительных устройств и трех трехфазных обмоток в пазах статора, что, как следствие, повышает массогабаритные показатели и усложняет конструкцию и эксплуатацию двигателя. Третья статорная обмотка отрицательно влияет на процесс синхронизации двигателя, поскольку увеличивает степень компаундирования системы возбуждения.The disadvantages of this machine include the presence of two rectifier devices and three three-phase windings in the grooves of the stator, which, as a result, increases the overall dimensions and complicates the design and operation of the engine. The third stator winding negatively affects the motor synchronization process, since it increases the degree of compounding of the excitation system.

Наиболее близким по конструкции к заявляемому устройству является двигатель по авт. свид. СССР №688964 «Синхронная электрическая машина», Н02К 19/12, 1979 г. Запуск машины в режиме двигателя производят в два этапа: асинхронный разбег до подсинхронной скорости и последующая синхронизация двигателя. Синхронизацию двигателя осуществляют способом подключения обмотки возбуждения к источнику питания, состоящему из сети, дополнительной трехфазной обмотки статора и трехфазного мостового выпрямителя. Трехфазная цепь источника питания симметрична.The closest in design to the claimed device is an engine according to ed. testimonial. USSR No. 688964 "Synchronous electric machine", Н02К 19/12, 1979. The machine is started in engine mode in two stages: asynchronous take-off to sub-synchronous speed and subsequent synchronization of the engine. Motor synchronization is carried out by the method of connecting the field winding to a power source consisting of a network, an additional three-phase stator winding and a three-phase bridge rectifier. The three-phase power supply circuit is symmetrical.

Как показал опыт практического применения этого способа синхронизации на двигателях сельхозмелиоративных насосов в Краснодарском крае, его существенным недостатком является низкая надежность. При включении обмотки возбуждения иногда вместо синхронизации происходит резкое торможение двигателя. Возникающие при этом динамические усилия воздействуют на элементы конструкции двигателя, снижая его конструктивную надежность. Последующие запуски двигателя усложняют его эксплуатацию.As experience in the practical application of this synchronization method on engines of agricultural reclamation pumps in the Krasnodar Territory showed, its significant drawback is low reliability. When you turn on the field winding, sometimes instead of synchronization, a sharp braking of the motor occurs. The resulting dynamic forces affect the structural elements of the engine, reducing its structural reliability. Subsequent engine starts complicate its operation.

Проведенные в Кубанском государственном аграрном университете исследования показали, что одной из основных причин неуспешной синхронизации является сильное токовое компаундирование системы возбуждения двигателя. Обнаружено, что при отключении на период синхронизации одной фазы дополнительной обмотки двигателя надежность синхронизации увеличивается. Использование неуправляемого выпрямителя на диодах не позволяет эффективно решать задачу отключения указанной обмотки для повышения надежности синхронизации двигателя.Studies conducted at the Kuban State Agrarian University have shown that one of the main reasons for unsuccessful synchronization is the strong current compounding of the motor excitation system. It was found that when one phase of the additional motor winding is turned off for synchronization, the reliability of synchronization increases. The use of an uncontrolled rectifier on diodes does not allow to effectively solve the problem of disconnecting this winding to increase the reliability of motor synchronization.

Технической задачей является повышение надежности синхронизации синхронного двигателя с двойной обмоткой на статоре за счет снижения степени токового компаундирования системы возбуждения и асимметрии токов в дополнительной трехфазной обмотке при синхронизации.The technical task is to increase the reliability of synchronization of a synchronous motor with a double winding on the stator by reducing the degree of current compounding of the excitation system and the asymmetry of currents in an additional three-phase winding during synchronization.

Решение задачи достигается тем, что способ синхронизации синхронного двигателя с трехфазной обмоткой и дополнительной трехфазной обмоткой на статоре путем подключения обмотки возбуждения к источнику питания, состоящему из электрической сети, выключателя, упомянутой дополнительной трехфазной статорной обмотки и трехфазного выпрямителя после достижения двигателем подсинхронной скорости, предусматривает использование в одной из фаз выпрямителя тиристоров, управляемых в ключевом режиме, при этом на период синхронизации их переводят в непроводящее состояние, обеспечивая отключение одной из фаз дополнительной трехфазной статорной обмотки в цепи обмотки возбуждения, с последующим переключением тиристоров в проводящее состояние по завершении синхронизации.The solution to the problem is achieved by the fact that the method of synchronizing a synchronous motor with a three-phase winding and an additional three-phase winding on the stator by connecting the field winding to a power source consisting of an electrical network, a switch, the mentioned additional three-phase stator winding and a three-phase rectifier after the motor reaches sub-synchronous speed, involves in one of the phases of the thyristor rectifier, controlled in the key mode, while they are transferred to the synchronization period non-conductive state, providing a shutdown of one of more phases of three-phase stator windings in the excitation circuit, and then switching of the thyristors to a conductive state upon completion of synchronization.

Положительный результат от применения указанного способа синхронизации и соответствующего изменения конструкции выпрямителя синхронного двигателя для его реализации достигается тем, что при отключении с помощью тиристоров одной фазы дополнительной статорной обмотки на период синхронизации снижается степень компаундирования системы возбуждения, а также изменяется магнитное поле двигателя. Оба эти фактора повышают надежность вхождения двигателя в синхронизм.A positive result from the application of the indicated synchronization method and the corresponding structural change of the synchronous motor rectifier for its implementation is achieved by the fact that when the additional stator winding is disconnected by thyristors for the synchronization period, the degree of compounding of the excitation system is reduced, and the magnetic field of the motor also changes. Both of these factors increase the reliability of the engine entering synchronism.

По данным патентной и научно-технической литературы не выявлена заявляемая совокупность признаков, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого решения критериям «изобретательский уровень» и «новизна». Заявляемое решение может быть реализовано в электроприводе турбомеханизмов и других устройств, что отвечает критерию «промышленная применимость».According to the patent and scientific literature, the claimed combination of features has not been identified, which allows us to conclude that the proposed solutions meet the criteria of "inventive step" and "novelty." The claimed solution can be implemented in an electric drive of turbomechanisms and other devices, which meets the criterion of "industrial applicability".

На чертеже представлена принципиальная схема соединения обмоток и устройств управления синхронной машины.The drawing shows a schematic diagram of the connection of the windings and control devices of a synchronous machine.

Через основной выключатель 1 трехфазная статорная обмотка машины 2 и дополнительная трехфазная статорная обмотка 3 присоединены к источнику электроэнергии (трехфазной сети). Обмотка 2 соединена звездой, а обмотка 3 включена как проходная последовательно с трехфазным выпрямителем 4, состоящим из двух тиристоров 5 и 6 и неуправляемых диодов 7...10, замыкающим контактом второго выключателя 11 и обмоткой возбуждения 12, расположенной на роторе. Обмотка возбуждения 12 шунтирована цепью, составленной из размыкающего контакта 13 и резистора 14. Синхронная машина имеет на роторе пусковую (демпферную) обмотку традиционной конструкции в виде беличьей клетки (на чертеже эта обмотка не показана).Through the main switch 1, the three-phase stator winding of the machine 2 and the additional three-phase stator winding 3 are connected to a power source (three-phase network). The winding 2 is connected by a star, and the winding 3 is connected as a loop through in series with a three-phase rectifier 4, consisting of two thyristors 5 and 6 and uncontrolled diodes 7 ... 10, the closing contact of the second switch 11 and the field winding 12 located on the rotor. The excitation winding 12 is shunted by a circuit composed of the opening contact 13 and the resistor 14. The synchronous machine has a starting (damper) winding of the traditional design in the form of a squirrel cage on the rotor (this winding is not shown in the drawing).

На чертеже представлены контактные выключатели, хотя выключатели могут быть и бесконтактными, выполняющими аналогичные функции. Отметим также, что в настоящем описании использован термин «выключатель» как синоним термина «ключ», используемого в описании прототипа, как более часто используемый в технической литературе.The drawing shows contact switches, although the switches can be non-contact, performing similar functions. Note also that in the present description, the term “switch” is used as a synonym for the term “key” used in the description of the prototype, as more often used in the technical literature.

В установившемся режиме синхронный двигатель работает следующим образом. Контакты выключателей 1, 11 находятся в закрытом (проводящем) состоянии, а размыкающий контакт выключателя 13 в открытом (непроводящем). Обмотки статора 2, 3 и возбуждения 12 обтекаются токами, причем ток возбуждения является выпрямленным током дополнительной статорной обмотки 3. Токи обмоток 2 и 3 создают вращающееся магнитное поле, которое, будучи сцепленным с магнитным полем обмотки возбуждения, обеспечивает электромагнитный момент и синхронное вращение ротора.In steady state, the synchronous motor operates as follows. The contacts of the switches 1, 11 are in a closed (conductive) state, and the NC contact of the switch 13 is in an open (non-conductive) state. The stator windings 2, 3 and excitation 12 are surrounded by currents, and the excitation current is the rectified current of the additional stator winding 3. The currents of the windings 2 and 3 create a rotating magnetic field, which, being coupled to the magnetic field of the excitation winding, provides an electromagnetic moment and synchronous rotation of the rotor.

Пуск и синхронизация двигателя производятся следующим образом.Starting and synchronizing the engine are as follows.

Предварительно контакты выключателей приводятся в положение, представленное на чертеже, т.е. контакты выключателей 1, 11 в открытом состоянии, размыкающий контакт выключателя - 13 в закрытом. Обмотка возбуждения 12 отключена от выпрямителя 4 и включена на разрядный резистор 14. Состояние тиристоров 5 и 6 (открытые или закрытые) при разгоне двигателя не имеет значения. Для прямого асинхронного пуска двигателя контакты основного выключателя 1 замыкаются, в результате чего по обмотке 2 протекает пусковой ток, который создает в двигателе вращающееся магнитное поле. Вращающееся магнитное поле наводит в пусковой короткозамкнутой обмотке ротора ЭДС и ток и обеспечивает разбег ротора в направлении вращения поля. Двигатель разгоняется как асинхронный и завершает разбег, достигнув подсинхронной частоты вращения при скольжении s=2÷5%.Previously, the contacts of the switches are brought to the position shown in the drawing, i.e. the contacts of switches 1, 11 are in the open state, the opening contact of the switch is 13 in the closed state. The field winding 12 is disconnected from the rectifier 4 and is connected to the discharge resistor 14. The state of the thyristors 5 and 6 (open or closed) during acceleration of the motor does not matter. For direct asynchronous start of the motor, the contacts of the main switch 1 are closed, as a result of which a starting current flows through the winding 2, which creates a rotating magnetic field in the motor. A rotating magnetic field induces an EMF in the starting short-circuited winding of the rotor of the rotor and provides a run of the rotor in the direction of rotation of the field. The engine accelerates as asynchronous and completes the run, reaching a sub-synchronous speed when sliding s = 2 ÷ 5%.

Далее для синхронизации двигателя тиристоры 5 и 6 переводятся в непроводящее (закрытое) состояние при ручном или автоматическом управлении, замыкается контакт выключателя 11, в дополнительной обмотке статора 3 и возбуждения 12 и выпрямителе 4 протекает ток. Величина тока в названной цепи ограничивается закрытыми тиристорами 5 и 6. Часть выпрямленного тока ответвляется в резистор 14, а оставшаяся часть составляет ток обмотки возбуждения 12 и создает магнитный поток возбуждения, заставляющий ротор втягиваться в синхронизм, сцепляясь своими силовыми линиями с вращающимся магнитным полем трехфазных обмоток 2 и 3. После завершения синхронизации двигателя контакты выключателя 13 размыкаются, тиристоры 5 и 6 переводятся в проводящее (открытое) состояние и двигатель переходит в синхронный режим работы с симметричными фазными токами.Next, to synchronize the motor, thyristors 5 and 6 are transferred to a non-conducting (closed) state with manual or automatic control, the contact of the switch 11 is closed, a current flows in the additional winding of the stator 3 and excitation 12 and rectifier 4. The magnitude of the current in this circuit is limited by closed thyristors 5 and 6. A portion of the rectified current is branched into a resistor 14, and the remainder is the excitation winding current 12 and creates a magnetic excitation flux, causing the rotor to be pulled into synchronism, interlocking its power lines with the rotating magnetic field of the three-phase windings 2 and 3. After the synchronization of the motor is completed, the contacts of the switch 13 open, the thyristors 5 and 6 are transferred to the conducting (open) state and the motor goes into synchronous operation with symmetrical phase currents.

Выключение тиристоров 5 и 6 на период синхронизации создает неполнофазное включение дополнительной обмотки 3, снижает ток возбуждения и степень компаундирования системы возбуждения, чем уменьшает амплитуду качаний ротора, вызванного «проскальзыванием» полюсов поля статора, и возбуждения при несовпадении полярности этих полей в момент включения контакта выключателя 11. В результате предотвращается эффект «опрокидывания» двигателя при синхронизации и обеспечивается надежное втягивание двигателя в синхронизм. Экспериментально установлено, что двигатель надежно втягивается в синхронизм при моменте на валу 60% от номинального при 3...6 периодах колебания ротора.Turning off thyristors 5 and 6 for a synchronization period creates a non-phase connection of the additional winding 3, reduces the excitation current and the degree of compounding of the excitation system, which reduces the amplitude of the oscillations of the rotor caused by the “slip” of the poles of the stator field, and the excitation when the polarity of these fields does not coincide at the moment the switch contact is turned on 11. As a result, the effect of “tipping” the engine during synchronization is prevented and reliable retraction of the engine into synchronism is ensured. It was experimentally established that the motor is reliably retracted into synchronism with a torque on the shaft of 60% of the nominal at 3 ... 6 periods of oscillation of the rotor.

Перевод тиристоров из непроводящего в проводящее состояние является типовой задачей и здесь подробно не рассматривается.The transfer of thyristors from a non-conducting to a conducting state is a typical task and is not considered in detail here.

Создать неполнофазный режим включения обмотки 3 можно и другими способами, например, с помощью дополнительного коммутатора, однако последний усложняет устройство управления двигателем.It is possible to create a non-phase mode for turning on the winding 3 in other ways, for example, using an additional switch, but the latter complicates the motor control device.

Остановка двигателя производится отключением основного выключателя 1.The engine is stopped by turning off the main switch 1.

Claims

A method for synchronizing a synchronous motor with a three-phase winding and an additional three-phase winding on the stator by connecting the field winding to a power source consisting of an electrical network, a switch, the mentioned additional three-phase stator winding and a three-phase rectifier after the motor reaches a sub-synchronous speed, characterized in that in one of the phases rectifiers use thyristors controlled in a key mode, while for the synchronization period they are transferred to a non-conductive state, ensuring Failure to disconnect one of the phases of the additional three-phase stator winding in the field circuit of the field winding, with the subsequent switching of the thyristors to the conducting state upon completion of synchronization.