Автор: Сивокобыленко В.Ф., Ткаченко С.Н.
Источник:
Сборник статей Донецкого национального технического университета – Донецк, 2008. – Вып. 8 (140): Сер.: Електротехника и энергетика. – С. 13-18.
УДК 621.713.13: 621.313
В настоящее время в качестве электроприводов большинства механизмов собственных нужд тепловых и атомных электрических станций, а также механизмов промышленных предприятий, применяются асинхронные электродвигатели (АЭД) с короткозамкнутым ротором различной мощности (от десятка ватт до тысяч киловатт). Главным преимуществом АЭД по сравнению с другими двигателями переменного тока является простота и надёжность конструкции. Данные машины, как правило, обычно рассчитываются заводами-изготовителями на эксплуатационный срок от 15 до 20 лет без проведения капитального ремонта. Обязательным условием выработки двигателем эксплуатационного термина, заявляемого изготовителем, является работа при номинальных или каталожных параметрах, указываемых в паспорте. Однако необходимо отметить, что зачастую реальные рабочие условия далеки от требуемых номинальных эксплуатационных режимов. К числу факторов, искажающих номинальные эксплуатационные режимы АЭД, следует отнести: искажение питающего напряжения, вызываемое наличием несимметричной нагрузки, применением тиристорных преобразователей частоты и.т.д., неисправности системы охлаждения конструктивных элементов машины (загрязнение вентиляционных каналов, поломка крыльчатки охлаждающего вентилятора); нарушение правил технической эксплуатации (частые технологические перегрузки, неудовлетворительные условия окружающей среды, такие как повышенная влажность воздуха, эксплуатация в помещениях с агрессивной средой, резкие перепады температуры). Все вышеперечисленные анормальные режимы работы ведут к росту температуры нагрева обмоток АЭД, и, следовательно, к сокращению срока службы машины. Превышение температуры нагрева выше допустимых значений является причиной старения изоляции обмоток двигателя, а, следовательно, способствует появлению тяжёлых аварийных режимов, таких как многофазные короткие замыкания, витковые замыкания, однофазные замыкания на землю в обмотке статора (для АЭД работающих в сетях с изолированной нейтралью). Аварийные режимы приводят, в свою очередь, к выплавлению стали магнитопровода статора и выплавлению обмоток. Стандартные защиты АЭД [1,2], реализованные в большинстве современных микропроцессорных устройствах релейной защиты, не обеспечивают требуемую чувствительность для большинства видов повреждений. Одним из способов повышения срока службы АЭД является совершенствование существующих и разработка новых алгоритмов защит от тепловой перегрузки асинхронных электродвигателей. Из вышеизложенного материала можно сделать вывод о том, что проблема является актуальной.
На данный момент времени существует несколько подходов к выполнению тепловой защиты АЭД. К базовым подходам относятся методы, использующие классический подход, основанный на применении защиты от перегрузки током статора (максимально-токовая защита или МТЗ). Такая защита от перегрузки использует зависимости действующего значения тока статора от времени срабатывания или времятоковые характеристики [1,2]. К недостаткам такого подхода можно отнести невозможность контроля температуры нагрева обмоток статора и ротора АЭД, а также несрабатывания защиты при существенных перегревах как, например, при многократном пуске двигателя подряд под нагрузкой. В большинстве отечественных и зарубежных современных микропроцессорных терминалах релейной защиты и автоматики электродвигателей (REM-545 (АББ; Швеция); Siprotec 7SJ63 (Siemens, Германия); Sepam 1000+ M20 (Schneider Electric, Франция); SEL-710 (Schweitzer Engineering Laboratories, США); и.т.д.) дополнительно присутствует тепловая защита АЭД, основанная на непрерывном измерении температуры нагрева обмоток статора с помощью, встраиваемых в фазные обмотки, тепловых датчиков (ТД). К недостаткам такого подхода следует отнести инерционность ТД, а также отсутствие контроля температуры нагрева ротора. В некоторых защитных устройствах также можно встретить тепловые защиты, основанные на расчёте теплового состояния двигателя с применением тепловых схем замещения [3]. К числу недостатков данной тепловой защиты следует отнести приближённые расчёт параметров тепловой схемы двигателя, а также некорректную работу защиты при неисправностях системы охлаждения. Одним из перспективных способов реализации тепловой защиты АЭД, включающий непрерывный контроль температуры нагрева, как обмотки статора, так и обмотки короткозамкнутого ротора, является способ, использующий косвенный расчёт температуры нагрева обмоток машины по изменению активного сопротивления на основе непрерывного измерения параметров состояния текущего режима [4,5]. Однако, эквивалентные схемы замещения АЭД, которые используют в этих подходах, существенно отличаются между собой в зависимости от учёта явления эффекта вытеснения тока в роторе (скин-эффект), температуры нагрева, цепи потерь в стали магнитопровода статора и.т.д. Реализация алгоритма тепловой защиты зависит от избранной схемы замещения, которая описывает АЭД различной мощности и конструктивных особенностей.
Данная работа посвящена разработке тепловой защиты обмоток статора и ротора пригодной для различного типа асинхронных электродвигателей, отличающихся по мощности, наличием или отсутствием явления эффекта вытеснения тока в роторе.
Известно, что в процессе пуска обмотка короткозамкнутого ротора нагревается до температуры 200 0С и выше. Трудности, связанные с недостаточной надёжностью существующей защитной логики, а также затруднительным измерением температуры нагрева обмотки ротора препятствуют созданию более совершенных защит от перегрева двигателя. Одним из вариантов контроля нагрева ротора являются алгоритмы, использующие косвенное измерение температуры нагрева обмотки короткозамкнутого ротора на основе непрерывного измерения параметров режима (фазные токи и напряжения, скольжение, температура нагрева обмотки статора). Рассмотрим варианты реализации тепловой защиты на основе непрерывного измерения активного сопротивления ротора для АЭД различного типоисполнения.
К первому варианту относятся тепловые защиты, применяемые для электродвигателей, в обмотках которых отсутствует явление эффекта вытеснения тока в роторе. Эквивалентная схема замещения показана на рис.1. и содержит один контур ротора, цепь статора, ветвь намагничивания и контур потерь в стали.
Рисунок 1 – Схема замещения асинхронного электродвигателя с одним контуром на роторе
Параметры схемы замещения таких двигателей определяются по методикам, изложенным в [6].
В электродвигателях с глубокопазным ротором (мощность свыше 200 кВт) присутствует явление вытеснения тока. Для корректного анализа данных АЭД требуется применять эквивалентные схемы замещения, учитывающие этот эффект. Одним из вариантов таких схем является одноконтурная схема представленная на рис.2, сопротивления ротора в которой зависят от величины скольжения и температуры нагрева.
При использовании одноконтурной схемы замещения принимается допущение, что явление вытеснения тока имеет место только в пазовой части ротора асинхронной машины и отсутствует в короткозамыкающих кольцах [7].
Рисунок 2 – Схема замещения асинхронного электродвигателя с одним контуром на роторе с учётом эффекта вытеснения тока в роторе
В таком случае активное и индуктивное сопротивления ротора во всём диапазоне изменения скорости вращения в зависимости от температуры нагрева ротора можно выразить следующим образом:
К третьему варианту тепловой защиты относятся алгоритмы тепловой защиты короткозамкнутого ротора, базирующиеся на использовании эквивалентной схемы замещения с двумя контурами на роторе и контуром потерь в стали (рис.3). Данная схема замещения учитывает эффект вытеснения тока и используется также для глубокопазных или двухклеточных АЭД.
Рисунок 3 – Схема замещения асинхронного электродвигателя с двумя контурами на роторе и контуром потерь в стали
В процессе моделирования по рассчитанным данным тепловых потерь задавалась температура нагрева ротора , в функции от которой изменялись активные сопротивления ротора. Совпадение найденной по изложенным выше методам температуры нагрева ротора, является критерием правильности предложенных в работе алгоритмов. Результаты математического моделирования процесса пуска и последующего наброса нагрузки показаны на рис.4 в виде осциллограмм обобщённого вектора тока статора, угловой частоты вращения и температуры нагрева обмотки ротора от времени.
Рисунок 4 – Результаты определения температуры нагрева короткозамкнутой обмотки ротора АЭД
Приведенные на рис.4 осциллограммы температуры нагрева короткозамкнутой обмотки ротора, согласно вышеизложенному критерию правильности, свидетельствуют о работоспособности алгоритмов тепловой защиты основанных, как на использовании одноконтурной, так и двухконтурной схем замещения АЭД.
1. Рассмотрены алгоритмы косвенного определения температуры нагрева короткозамкнутой обмотки ротора АЭД на основе вычисления в реальном времени активного сопротивления ротора в горячем состоянии и его сравнения с известным значением холодного состояния с использованием одноконтурной и двухконтурной эквивалентных схем замещения с контуром потерь в стали магнитопровода статора.
2. Предложен метод совершенствования алгоритма тепловой защиты с использованием одноконтурной схемы замещения для применения его в микропроцессорных терминалах защиты АЭД малой вычислительной мощности путём учёта эффекта вытеснения тока в роторе с помощью линейных функциональных зависимостей сопротивлений ротора от скольжения и температуры нагрева. Для алгоритма тепловой защиты основанного на использовании двухконтурной схемы замещения для сокращения объёма вычислений рекомендовано вводить коррекцию результирующего сопротивления ротора в холодном (исходном) состоянии от скольжения и температуры нагрева взамен решения кубического уравнения на каждом шаге.
3. Произведён анализ работы алгоритмов тепловой защиты короткозамкнутой обмотки АЭД с использованием методов математического моделирования на примере асинхронного электродвигателя серии ВАН (АВ) мощностью 320 кВт и напряжением статора 6 кВ.
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. Пинчук О.Г. Защита от теплових перегрузок обмоток асинхронных двигателей при несимметрии питающего напряжения. Серія «Електротехніка і енергетика», випуск 7 (128): Донецьк: ДВНЗ «ДонНТУ», 2007, стор., стор. 193-196.
4. Патент України № 69523 А, МПК 7 Н02Р 5/04. Пристрій захисту асинхронного двигуна. Родькін Д.Й., Чорний О.П., Живота В.Ф., Лашко Ю.В., Сидоренко В.М. Опубл. 5.09.2004. – 16 с.
5. Сивокобыленко В.Ф., Ткаченко С.Н. Моделирование микропроцессорной тепловой защиты асинхронного электродвигателя. № 596: Львів: Національний університет «Львівська політехніка», 2007, стор. 167-172.
6. Сивокобыленко В.Ф., Ткаченко С.Н. Математическое моделирование характеристик асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором с учётом потерь в стали. Наукові праці Донецького національного технічного університету. Серія «Електротехніка і енергетика», випуск 7 (128): Донецьк: ДВНЗ «ДонНТУ», 2007, стор. 126-131.
7. Ойрех Я.А., Сивокобыленко В.Ф., Режимы самозапуска асинхронных двигателей. М.: Энергия, 1974. – 96 с.