МОДЕЛИРОВАНИЕ МИКРОПРОЦЕССОРНОЙ ТЕПЛОВОЙ ЗАЩИТЫ АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ

В.Ф. Сивокобыденко. С.Н. Ткаченко
Донецкий национальный технический университет

Источник:

Сборник статей Донецкого национального технического университета,Электротехника и энергетика

УДК 621.313.32

В.Ф. Сивокобыденко. С.Н. Ткаченко ГВУЗ "Донецкий национальный технический университет"

МОДЕЛИРОВАНИЕ МИКРОПРОЦЕССОРНОЙ ТЕПЛОВОЙ ЗАЩИТЫ АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ

Цель работы

Разработка математической модели микропроцессорной тепловой защиты асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором на основе определения активного сопротивления ротора АЭД.

Актуальность темы

Асинхронные электродвигатели [АЭД] с короткозамкнутым ротором являются основным видом электропривода машин и механизмов на промышленных предприятиях, в системе собственных нужд тепловых и атомных электростанций и потребляют свыше половины всей вырабатываемой электроэнергии. Однако процент повреждаемых асинхронных машин довольно высок и составляет порядка 20-25% в год от общего числа находящихся в эксплуатации. В настоящее время многие предприятия, производящие и разрабатывающие устройства релейной защиты и автоматики, уделяют достаточно много внимания микропроцессорным терминалам и реле. Однако, в большинстве современных микропроцессорных платформ защиты двигателей, требуемые ПУЭ [1], перенесены на новую элементную базу с минимальными изменениями и уточнениями без учёта их расширенных возможностей. Стандартные защиты не обеспечивают корректное срабатывание в ряде аварийных ситуаций и анормальных режимов работы (перегрев обмоток статора и ротора вследствие неисправности системы охлаждения, несимметрии питающего напряжения, технологических перегрузок и.т.д.). Одним из путей снижения затрат на ремонтные работы является разработка новых алгоритмов устройств релейной защиты и автоматики АЭД с короткозамкнутым ротором. Исходя из вышеизложенного, можно сделать вывод, что данная проблема актуальна.

Анализ предыдущих исследований.

Известны защиты от тепловой перегрузки АЭД, основанные на использовании интегральной зависимости тока статора в функции времени [2,3]. Данная защита реализована в большинстве современных терминалов таких как REM-545 (концерн АББ; Швеция), Sepam 1000+ M20 (Schneider Electric, Франция); УЗБ-301 (ООО «Novatek-Electro, Российская Федерация). На Украине микропроцессорные терминалы, включающие вышеупомянутую защиту от перегрузки АЭД, выпускает ОАО «Електротехнічний завод РелСіС» (РДЦ-01) [4]. Однако этим способам присущи недостатки из-за отсутствии контроля температуры нагрева обмоток статора и ротора. К другим подходам реализации тепловой защиты ротора следует отнести защиту от теплового перегрева статора и ротора АЭД, базирующуюся на основе косвенного определения температуры нагрева короткозамкнутого ротора [5]. Защита основана на непрерывном измерении мгновенных значений фазных токов и напряжений, последующих вычислений потокосцеплений и их производных, скорости вращения ротора и температуры нагрева обмоток статора и ротора, при превышении допустимых значений производится отключение двигателя от питающей сети. К недостаткам такого подхода можно отнести то, что температура нагрева ротора определяется с большой погрешностью из-за косвенного определения скольжения на основе каталожного значения активного сопротивления ротора. В этом случае защита обеспечивается только для АЭД небольшой мощности (мощность до 200 кВт), в которых отсутствует эффект вытеснения тока в роторе (скин-эффект), а также при допущении, что в формуле для вычисления скорости вращения используется каталожное значение активного сопротивления ротора. Применение данного защитного алгоритма некорректно для АЭД с глубокопазным ротором или ротором с двойной беличьей клеткой (мощность свыше 200 кВт), в которых сопротивления ротора зависят кроме температуры нагрева и от явления эффекта вытеснения тока.

Материал и результаты исследования.

Из вышеизложенного материала можно сделать вывод о том, что современная база устройств релейной защиты и автоматики, основывающаяся на последних достижениях микропроцессорной индустрии, использует свой потенциал не полностью. Одним из вариантов совершенствования защиты АЭД с короткозамкнутым ротором является создание алгоритмов защитной логики, которые будут в состоянии задействовать современную цифровую платформу в полной мере.

Общеизвестным фактором срока службы АЭД является состояние изоляции обмоток. Ухудшению изоляции способствуют анормальные и аварийные режимы работы машины, которые приводят к увеличению температуры нагрева выше допустимых значений, приводящих к выходу машины из строя. Трудность установки датчиков температуры в обмотке короткозамкнутого ротора для точного измерения температуры нагрева препятствует созданию более надёжной и совершенной защиты от теплового перегрева обмоток статора и ротора АЭД.

В состав разрабатываемой защиты АЭД входят стандартные защиты, требуемые ПУЭ [1] (токовая отсечка от междуфазных коротких замыканий, защита от замыкания на землю, защита от перегрузки током статора, защита минимального напряжения), переведенные в цифровой вид. Основное внимание уделено разработке защиты от перегрева статора и ротора или тепловой защите АЭД на основе косвенного определения температуры нагрева обмотки ротора. Вычисление температуры нагрева производится в темпе реального времени путём расчёта активного сопротивления ротора и его сравнения с известным значением в холодном состоянии.

Алгоритм тепловой защиты состоит из следующих основных блоков:

• блок измерений;

• блок цифровой фильтрации;

• блок вычислений;

• блок уставок.

Структурная схема алгоритма тепловой защиты показана на рис.1.

На вход блока измерений для нужд алгоритма тепловой защиты непрерывно поступают сигналы фазных токов (ia, ib, ic) и напряжений (ua, ub, uc), скольжения s, температуры нагрева обмоток статора TS. Аналоговые величины с помощью АЦП преобразуются в цифровой вид. Далее величины фазных токов и напряжений поступают в блок цифровой фильтрации, основанном на цифровом фильтре Фурье, в котором производится выделение первой гармоники [6].

Структурная схема алгоритма тепловой защиты АЭД

Рис.1. Структурная схема алгоритма тепловой защиты АЭД

Вычисление температуры нагрева ротора основывается на использовании схемы замещения АЭД с учётом эффекта вытеснения тока в роторе (см. Рис.2.).

Схема замещения АЭД с короткозамкнутым ротором

Рис.2. Схема замещения АЭД с короткозамкнутым ротором

В блоке вычислений производятся следующие операции:

• Предварительные операции:

• проведение опытов холостого хода и короткого замыкания, подачи на статор трёхфазного напряжения различной частоты при неподвижной машине, измерение начальной температуры холодного состояния [7];

• определение по данным опытов сопротивлений обмоток статора (RS, XS), ветви намагничивания (Rµ, Xµ) и функциональных зависимостей сопротивления ротора RRисх(s) (см. Рис.3.) от скольжения при известной начальной температуре холодного состояния TRнач);

Результаты предварительных операций заносятся в блок констант, находящийся в блоке вычислений, и используются в процессе вычислений в масштабе реального времени.

• Операции, производимые в темпе реального времени:

• Измерение фазных токов (ia, ib, ic) и напряжений (ua, ub, uc);

• Измерение скольжения s датчиком положения ротора (ДПР), установленным на валу двигателя;

• Измерение температуры нагрева обмотки статора TS; термодатчиком (ТД), установленным в обмотке статора двигателя;

Функция активного сопротивления ротора от скольжения RRисх(s) 
для начальной температуры холодного состояния TRнач

Рис.3. Функция активного сопротивления ротора от скольжения RRисх(s) для начальной температуры холодного состояния TRнач

• Вычисление модулей тока статора и напряжения статора:

• Вычисление обобщённого вектора тока статора и обобщённого вектора напряжения статора:

где

где i, u – мгновенные значения тока и напряжения соответствующей фазы;

• Вычисление входных сопротивлений АЭД:

• Корректирование активного сопротивления обмотки статора АЭД:

где Rs ? – температурный коэффициент проводника обмотки статора, 1/0С, TS – текущее значение температуры обмоток статора, измеряемое термодатчиками, 0С;

• Вычисление сопротивлений и проводимостей ротора и ветви намагничивания:

• Вычисление проводимостей ротора:

• Вычисление активного сопротивления ротора АЭД:

• Вычисление температуры ротора АЭД:

После вычисления температуры ротора асинхронной машины в блоке вычислений, рассчитанное значение сравнивается с уставкой срабатывания тепловой защиты в блоке уставок. В случае превышения температурной уставки защита срабатывает, запуская выдержку времени и светозвуковую сигнализацию перегрева обмотки ротора. По истечении выдержки времени производят отключение электродвигателя от питающей сети.

Пример моделирования тепловой защиты АЭД произведён для двигателя серии АВ, мощностью 630 кВт и напряжением статора 6 кВ. Каталожные данные машины представлены в таблице 1.

Таблица 1

Рассчитанные параметры схемы замещения для номинального скольжения и температуры 750С приведены в таблице 2. Для моделирования использовались методы математического моделирования асинхронных электродвигателей, изложенные в [8]. В качестве примера был промоделирован режим затяжного пуска двигателя.

Структурная схема алгоритма тепловой защиты АЭД

Рис.4. Зависимости тока фазы А статора, температуры нагрева обмотки ротора и выходного сигнала реле от времени

Из рис.4. видно, что процесс затяжного пуска машины проходит за время в течение 1,7 секунды, вызывая увеличение температуры нагрева обмотки ротора и, следовательно, превышение уставки срабатывания тепловой защиты равной 2500С, что приведёт после срабатывания выдержки времени к отключению АЭД от питающей сети.

Выводы:

В работе проведен анализ алгоритма микропроцессорной тепловой защиты асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором. Предложен усовершенствованный алгоритм тепловой защиты асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором, основанный на косвенном расчёте температуры нагрева ротора. Вычисление температуры нагрева производится в темпе реального времени путём расчёта активного сопротивления ротора и его сравнения с известным значением в холодном состоянии на основе измерения величин фазных токов и напряжений, скольжения и температуры нагрева обмотки статора. Указанный алгоритм реализован в виде математической модели, в которую входит АЭД и указанная защита. Исследована работа алгоритма в различных режимах для разных типов АЭД с различным проявлением явления эффекта вытеснения тока в роторе. Сравнение данных полученных в лабораторных условиях и с помощью математической модели подтверждают целесообразность разработанного алгоритма для защиты АЭД с короткозамкнутым ротором, находящихся в эксплуатации. Алгоритм рекомендуем для усовершенствования микропроцессорного терминал релейной защиты и автоматики АЭД с короткозамкнутым ротором отечественного производителя, такого как РДЦ-01, производимого ОАО «Електротехнічний завод РелСіС».

Литература

  1. Правила устройства электроустановок/ Минэнерго СССР. – 6-е изд., перераб. и доп. – М.: Энергоатомиздат, 1985. – 640 с
  2. В.А. Андреев. Релейная защита и автоматика систем электроснабжения: Учебник для вузов. 4-е изд. Перераб. и. доп. – М.: Высш. Шк., 2006. – 639 с.
  3. Соркинд М.А. Асинхронные электродвигатели 0,4 кВ. Способы защиты от аварийных режимов. Новости электротехники, 2005, №4(34).
  4. Официальный сайт ОАО «Електротехнічний завод РелСіС». http://www.relsis.ua.
  5. . Патент Украины № 69523 А, МПК 7 Н02Р 5/04, опубл.15.09.2004.
  6. Сергиенко А.Б. Цифровая обработка сигналов: Учебник для вузов. 2-е изд. – СПб.: Питер,2006. – 751 с.: ил.
  7. ГОСТ 7217-87. Межгосударственный стандарт. Машины электрические вращающиеся. Двигатели асинхронные. Методы испытаний . 2003. - 38 с.
  8. Сивокобыленко В.Ф., Лебедев В.К. Переходные процессы в системах электроснабжения собственных нужд электростанций. Уч. пособие, Донецк, ДонНТУ, 2002. – 136 с