Реферат за темою випускної роботи
Зміст
- Вступ
- 1. Актуальність теми
- 2. Мета і задачі дослідження
- 3. Аналіз попередніх досліджень
- 4. Матеріали і результати дослідження
- 4.1 Розрахунок температури обмоток ротора на основі порівняння активного опору ротора і його порівняння з відомим значенням для холодного стану
- Висновки
- Перелік посилань
Вступ
Асинхронні електродвигуни є одним з найбільш поширених видів електрообладнання, понад 85% всіх електричних машин - це трифазні АД. Володіючи досить простою і надійною конструкцією, вони широко застосовуються в якості приводу механізмів на промислових підприємствах, в системах власних потреб електростанцій і споживають понад половину всієї виробленої електроенергії. Незважаючи на простоту конструкції і відносно високу надійність, пошкоджуваність асинхронних електродвигунів досить велика і складає близько 20-25% від загального числа за рік, що вимагає великих витрат на ремонтні роботи. В даний час багато підприємств, що спеціалізуються на виробництві пристроїв релейного захисту та автоматики, приділяють досить багато уваги розробці, налагодженню і випуску мікропроцесорних терміналів і реле. Практично немає галузі техніки і побуту, де не використовувалися б асинхронні двигуни. За статистикою зараз в суспільному виробництві країн СНД знаходиться не менше 50 млн. одиниць двигунів напругою 0,4 кВ.
Зазвичай термін служби АД становить 15-20 років без капітального ремонту за умови правильної експлуатації. Однак погана якість живлячої напруги, підвищена температура, вологість, порушення правил технічної експлуатації призводять до виходу з ладу експлуатованих електродвигунів. У результаті аварій виходять з ладу до 10% експлуатованих електродвигунів.
Вихід з ладу АД призводить до важких аварій і великого матеріального збитку, пов'язаного з простоєм технологічних процесів, усуненням наслідків аварії і ремонтом АД що вийшов з ладу. Саме тому виникає потреба в пристроях захисту і моніторингу за станом устаткування і механізмів, що приводяться в дію асинхронними електродвигунами.
Сучасні стандарти більшості країн світу, в тому числі і України, пред'являють все більш високі вимоги до технічної експлуатації електроустановок. Необхідність в постійному моніторингу роботи дорогого устаткування посилює потребу у використанні високоякісного, надійного та комплексного захисту електродвигунів.
1. Актуальність теми
Асинхронні електродвигуни (АЕД) з короткозамкненим ротором (КЗР) є основним типом машин змінного струму, що використовуються для приводу механізмів власних потреб електростанцій і промислових підприємств. Даний тип АЕД становить майже 95% від усієї кількості електроприводних двигунів у промисловості і споживає при цьому понад половину всієї виробленої електроенергії. До переваг АЕД відносяться простота конструкції, надійність експлуатації. Однак, незважаючи на переваги асинхронних електродвигунів в порівнянні з іншими електричними машинами, відсоток їх пошкоджуваності досить високий і становить близько 20-25% на рік від загального числа АЕД, що знаходяться в експлуатації. Приблизно половина ушкоджень пов'язана з недостатньою досконалістю існуючих пристроїв релейного захисту та автоматики, які особливо незадовільно захищають двигун в анормальних режимах, пов'язаних з тепловим перегрівом. У зв'язку з цим розробка більш досконалих захистів з використанням мікропроцесорних систем є актуальною.
2. Мета і задачі дослідження
Ця робота присвячена вдосконаленню теплового захисту короткозамкненого ротора асинхронного електродвигуна на основі контролю параметрів поточного режиму (миттєві значення фазних струмів, фазних напруг і ковзання), придатної для коректної роботи при несиметрії напруги живлення.
Основні задачі дослідження:
- За допомогою математичної моделі провести дослідження різних режимів роботи асинхронного двигуна з контролем температури обмоток статора і ротора.
- Розробка принципів дії і алгоритмів досконаліших захистів.
- Перевірка за допомогою математичної моделі ефективності алгоритмів захисту.
3. Аналіз попередніх досліджень
В даний час мікропроцесорним пристроям релейного захисту та автоматики приділяють досить багато уваги. У терміналах в основному використовується стандартна захисна логіка, рекомендована ПУЕ [1]. Проте стосовно АЕД, вона не забезпечує надійний захист при пошкодженні стрижнів короткозамкненого ротора, при перегріві обмоток статора і ротора, викликаних несиметрією живлячої напруги, при несправності в системі охолодження і технологічних перевантаженнях, при несиметрії повітряного зазору, викликаного виробленням підшипників, при заклинюванні ротора, при перегрівах від гармонік, викликаних тиристорними перетворювачами частоти. Також має місце низька чутливість при замиканнях на землю всередині обмотки статора.
В якості захисту від перевантаження АЕД в більшості сучасних мікропроцесорних захисних пристроях або терміналах використовується інтегральна залежність струму статора в функції часу [2]. Використовувана інтегральна залежність струму статора в функції часу не дозволяє контролювати температуру нагріву обмоток статора і ротора АЕД, а також відключати машину у разі перегріву обмоток, викликаного, наприклад, багаторазовими пусками поспіль.
Мікропроцесорні пристрої, засновані на застосуванні псевдотеплової моделі, також нечутливі при несиметрії живлячої напруги, викликаної нерівномірним навантаженням фаз мережі або обривом фази через перехідний опір [3]. Доповнення цих захистів сигналами від теплових датчиків або термодатчиків (ТД), що вбудовуються в обмотку, не усувають недоліки через їх інерційність.
Головним недоліком захистів, що випускаються провідними підприємствами, є відсутність контролю температури нагріву обмотки короткозамкненого ротора. Відомі факти того, що в режимі роботи (S4) температура стрижнів ротора може досягати температури плавлення з обмоткою ротора, виконаної з алюмінію [4]. Оплавлення стрижнів обмотки ротора АЕД обумовлено неможливістю існуючих захистів своєчасно виявляти і усувати такий вид ушкоджень.
Прямий контроль температури нагріву обмотки ротора з використанням ТД(термодатчик) складний і дорогий через складнощі його встановлення, а також знімання сигналу в процесі обертання валу двигуна. Саме тому найбільше поширення отримали алгоритми непрямого визначення температури ротора. До таких алгоритмам відносяться:
- Захисти, засновані на псевдотеплових моделях з використанням теплових схем заміщення АЕД і сигналів ТД, що дозволяють розраховувати температуру нагріву елементів машини (обмотка статора, ротора, корпус) знаючи величину струму статора [5]. До недоліків таких захистів слід віднести складнощі, пов'язані з визначенням параметрів теплових схем заміщення, а також їх коригуванням в процесі роботи, що відображається на похибці і адекватній роботі захисту. Також слід зазначити факт відсутності обліку несправностей в системі охолодження АЕД в тепловій моделі, що відображається на бездіяльності чи сповільненій реакції захисту при таких видах пошкоджень.
- Захисти, розглянуті в [6,7], призначені для контролю температури нагріву ротора, виконаного зі стрижнями, в яких відсутній ефект витіснення струму. Підхід [6] заснований на рішенні рівняння теплового балансу за даними обчислення електромагнітного моменту на основі вимірювання фазних струмів і напруг статора, а в [7] заснований на вимірюванні тих же величин та додаткового контролю кутової частоти обертання ротора. Ключовим недоліком теплового захисту [6], є велика похибка у визначенні температури нагріву обмотки ротора на основі непрямого обчислення ковзання. Недоліками двох підходів є відсутність врахування ефекту витіснення струму в роторі, а отже неможливість їх використання на машинах потужністю 200 кВт і вище напругою статора 6 або 10 кВ.
Найбільш перспективним є підхід [8], заснований на непрямому визначенні температури нагріву ротора за даними вимірювань параметрів поточного режиму (миттєві значення фазних струмів, фазних напруг і ковзання). Метод придатний для глубокопазних електродвигунів на основі врахування впливу ефекту витіснення струму в роторі на його опору. Однак питання, пов'язані з коректною роботою даного алгоритму захисту в несиметричних режимах, вимагають додаткового розгляду.
4. Матеріали і результати дослідження
Як вже зазначалося, непряме вимірювання температури ротора засновано на розрахунку в реальному часі активного опору ротора в гарячому стані за даними замірів миттєвих значень фазних струмів і напруг і величини ковзання, потім за результатами порівняння активних опорів ротора в холодному і гарячому станах визначається температура нагріву ротора. Розрахунок опору ротора здійснюється на основі еквівалентної схеми заміщення (ЕСЗ) АЕД. Як показано в [8], для машин з витісненням струму в роторі найбільш доцільно застосовувати двоконтурну схему заміщення з контуром втрат в сталі статора (рис. 1), для якої необхідно знати її параметри. Метод визначення параметрів ЕСЗ з контуром втрат в сталі наведено в [9].
Рисунок 1 - Схема заміщення АЕД з КЗР з двома контурами на роторі і контуром втрат в сталі
Однак при несиметрії живлячої напруги в знайдених за даними замірів активних опорах вхідному АЕД (RBX) і еквівалентному опору роторного ланцюга (RR / s), а також температурі нагріву ротора з'являються коливання, пропорційні ступеню несиметрії напруги. Характер коливань при несиметрії напруг 4% зображений на рис.2.
Рисунок 2 - Залежності вхідного активного опору АЕД і опору роторного ланцюга від часу при несиметрії живлячої напруги (U2 = 0,04 в.о.)
Це пов'язано з тим, що, як випливає з [10], у зазначених режимах вимірювана вхідна миттєва потужність, що складається з середніх значень активних потужностей систем прямої послідовності (ПП) і зворотної послідовності (ЗП), а також з знакозмінної пульсуючою з подвоєною частотою мережі близько нульового середнього значення. З метою виключення зазначених вище коливань у роботі пропонується для визначення активних опорів RBX і RR використовувати середні значення активних потужностей, в яких відсутні пульсації. Це може бути виконано на основі ЕСЗ АЕД прямої послідовності (ріс.3.а) або зворотній послідовності (ріс.3.б) і вимірів струмів (I1, I2) і напруг (U1, U2) ПП і ЗП
Рисунок 3 - Схеми заміщення АЕД з КЗР з двома контурами на роторі і контуром втрат в сталі прямих (а) і зворотних (б) послідовностей
4.1 Розрахунок температури обмоток ротора на основі порівняння активного опору ротора і його порівняння з відомим значенням для холодного стану
Кращим є визначення активного опору ротора (RR) за ЕСЗ ПП в зв'язку з тим, що значення потужності і струмів для цієї системи істотно перевищують їх значення для ВП.
Середні значення модулів узагальнених векторів струму і напруги прямої послідовності (I1, U1) і потужності ПП (Р1) і можемо знайти по залежностях
де 
– значення активних складових струмів і напруг статора в осях 
; 
– значення реактивних складових струмів і напруг статора в осях .
Також як і в підході [8], контроль температури нагріву проходить на основі визначення активного опору ротора і його порівняння з відомим значенням для холодного стану.
Для реалізації алгоритму теплового захисту потрібно знати параметри еквівалентної схеми заміщення АЕД, наведеної на рис.1, при відомій температурі холодного або початкового стану;
На кожному дискретному кроці реального часу мікропроцесорним пристроєм проводяться наступні операції:
• Вимірювання миттєвих значень фазних струмів і напруг;
• Вимірювання кута положення ротора датчиком положення ротора (ДПР), встановленим на валу двигуна і визначення за цими даними ковзання;
• Вимірювання температури нагріву обмотки статора за допомогою ТД(термодатчика), встановленого в пазах обмотки статора електродвигуна;
• Розрахунок модулів узагальненого вектора струму і напруги статора прямої послідовності;
• Обчислення потужності прямої послідовності;
• Визначення вхідних активного (Rвх.1) і індуктивного опорів (Xвх.1) АЕД через потужність, напруга і струм прямої послідовності.
• Корекція активних опорів обмотки статора 
і контуру втрат 
в сталі в залежності від фактичної температури нагріву, вимірюваної термодатчиком
• Обчислення опорів та провідностей ротора (
, 
, 
, 
) і гілки намагнічування (
, 
)
• Визначення провідностей ротора (
, 
)
• Обчислення активного опору обмотки короткозамкненого ротора АЕД в гарячому стані (
)
• Обчислення активного опору ротора в холодному (початковому стані) для поточного значення ковзання (
)
• Обчислення поточного значення температури нагріву ротора АЕД на основі порівняння активного опору ротора в гарячому стані і відомого опору в холодному (вихідному) стані:
Виділення складових струму і напруги ОП дозволяє виконати крім теплової і струмовий захист від несиметричних режимів. Працездатність вищевикладеного алгоритму перевірена при різних значеннях коефіцієнта несиметрії з використанням методів математичного моделювання на ПЕОМ [11] в сталих режимах, а також у режимах пуску і набросу навантаження. Використовувалася математична модель АЕД на основі повних диференціальних рівнянь [9].
У цих режимах зміна температури обмотки ротора приймалася на основі рішення рівняння:
де М – поточне розрахункове значення електромагнітного моменту на валу; S – поточне значення ковзання; Та – постійна часу агрегату, с; t – час, с.
У завдання алгоритму захисту входило визначення вказаної температури нагріву обмотки ротора.
Збіг знайденої по викладеному вище методу температури нагріву ротора, було критерієм правильності запропонованого в роботі алгоритму. Як приклад був промодельований режим роботи при номінальному навантаженні на валу і наступний за ним режим набросу навантаження електродвигуна типу 4АЗМ-8000/6000, що є приводом пускорезервного живильного насоса (ПРПЕН) на енергоблоках теплових електростанцій потужністю 300 МВт. Каталожні дані даного АЕД представлені в таблиці 1.
Розраховані за [9], параметри двоконтурною еквівалентної схеми заміщення АЕД з контуром втрат в сталі статора представлені в таблиці 2.
Результати математичного моделювання заданого режиму при несиметрії напруги мережі 4% показані на рис.4 у вигляді залежностей струму фази А статора і температури нагріву обмотки ротора від часу. У таблиці 3 наведені розрахункові значення температури нагріву короткозамкненою обмотки ротора асинхронного електродвигуна при різних коефіцієнтах несиметрії живлячої напруги, розрахованої за алгоритмом [8]. При цьому значення VRпоч = 30°C.
.PNG)
Рисунок 4 - Результати визначення температури нагріву короткозамкненої обмотки ротора АЕД
(Анімація: 8 кадрів, 5 циклів повторення, 16 кілобайт)
Висновки
У роботі запропоновано спосіб вдосконалення алгоритму непрямого визначення температури нагріву короткозамкненої обмотки ротора АЕД за наявності несиметрії живлячої напруги. В основу способу покладено виділення складових прямих і зворотних послідовностей, за якими визначаються активні опори ротора в поточному режимі. Такий підхід дозволяє виключити вплив знакозмінних складових подвоєною частоти в вимірюваних величинах, що дозволяє уточнити визначення температури нагріву ротора. Робота алгоритму теплового захисту короткозамкненої обмотки ротора АЕД перевірена на ПЕОМ з використанням методів математичного моделювання на прикладі асинхронного електродвигуна типу 4АЗМ-8000/6000 потужністю 8000 кВт і напругою статора 6 кВ.
При написанні даного реферату магістерська робота ще не завершена. Остаточне завершення: січень 2014 року. Повний текст роботи та матеріали по темі можуть бути отримані у автора або його керівника після зазначеної дати.
Перелік посилань
- Правила устройства электроустановок/ Минэнерго СССР. – 6-е изд., перераб. и доп. – М.: Энергоатомиздат, 1985. – 640 с.
- Андреев В.А. Релейная защита и автоматика систем электроснабжения [Учебник для вузов. 4-е изд. Перераб. и. доп.] / В.А. Андреев – М.:Высш. Шк., 2006. – 639 с.
- Сушко В. Защита низковольтных электродвигателей. Совершенных защит не существует [Электронный ресурс] / В. Сушко – М.: «Новости электротехники» – 2005. – №4(34).
- Ткачук А.Н. Влияние повышения энерговооруженности скребковых конвейеров на аварийность их приводных электродвигателей / А.Н. Ткачук, А.И. Аниканов // Взрывозащищенное электрооборудование. Сборник научных трудов УкрВНИИВЭ. – 2003. – С. 126 – 134.
- Счастливый Г.Г. Математические модели теплопередачи в электрических машинах / Счастливый Г.Г., Бандурин В.В., Остапенко В.Н., Остапенко С.Н. – Киев: Наукова думка, 1986. – 182 с.
- Патент 69523 А, Україна, МПК7 Н02Р 5/04. Пристрій захисту асинхронного двигуна / Родькін Д.Й., Чорний О.П., Живота В.Ф. [та інші].; заявник і правовласник Кременчуцький державний політехнічний університет імені Михайла Остроградського. – № 2003042859 опубл. 5.09.2004. Бюл. №9, 2004 р.
- Beguenane R. Induction motors thermal monitoring by means of rotor resistance identification / R. Beguenane, M.E.H. Benbouzid // IEEE Transaction on Energy Conversion. – 1999. – Vol. 14. – Issue 3. – P. 566 – 570.
- Сивокобыленко В.Ф. Способы реализации тепловой защиты асинхронных электродвигателей, основанной на измерении входных сопротивлений / В.Ф. Сивокобыленко, С.Н. Ткаченко // Збірник наукових праць ДВНЗ «Донецький національний технічний університет». Серія «Електротехніка і енергетика». – випуск 8 (140). – Донецьк, 2008. – С. 13 – 18.
- Сивокобыленко В.Ф. Математическое моделирование характеристик асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором с учётом потерь в стали / В.Ф. Сивокобыленко, С.Н. Ткаченко // Збірник наукових праць ДВНЗ «Донецький національний технічний університет». Серія «Електротехніка і енергетика». – випуск 7 (128). – Донецьк, 2007. – С. 126 – 131.
- Ковач К.П. Переходные процессы в машинах переменного тока: учебн. [для студ. Вузов] / К.П. Ковач, И. Рац. – М.-Л.: ГЭИ, 1963. – 744 с.
- Сивокобыленко В.Ф., Переходные процессы в системах электроснабжения собственных нужд электростанций [Уч. Пособие] / В.К. Лебедев – Донецк, ДонНТУ, 2002. – 136 с.