Исследование параметров электробезопасности и совершенствование автоматической защиты от утечек в силовых присоединених двухскоростного асинхронного двигателя горной машины

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

• Введение
• 1. Анализ объекта исследований
• 2. Анализ исследований и публикаций
• 3. Цель и задачи исследований
• 4. Результаты исследований
• Выводы и направление дальнейших исследований
• Список источников

Введение

Двухскоростной асинхронный двигатель (АД) относится к базовым машинам электропривода скребковых конвейеров (СК). Его применение позволяет осуществлять пуск конвейера с кратковременной ступенью пониженной скорости, а также реализовать доставочные операции на пониженной скорости.

Опыт эксплуатации двухскоростного АД позволил выявить наличие электродвижущих сил (ЭДС) в отключенных обмотках статора, что при отсутствии контроля цепи утечки в его силовых присоединениях создает потенциальную опасность электропоражения и требует дополнительных специальных исследований.

Экспериментально полученные осциллограммы изменения ЭДС АД типа ЭДКВФ – 355L12/4 в отключенной обмотке статора при электропитании другой свидетельствуют, что при работе АД с номинальной угловой скоростью в обмотке пониженной скорости (ОПС) генерируется трехфазная ЭДС.

Предварительный анализ этих осциллограмм позволяет сделать выводы о существенном отличии ее по форме и частоте от соответствующих параметров номинального напряжения сети и о наличии совокупности высокочастотных и низкочастотных составляющих, что вносит свою специфику в процесс формирования тока и количества электричества в цепи утечки на землю [1].

Логично предположить, что процесс формирования ЭДС отключенной обмотки статора в значительной степени определяется конструктивными особенностями и динамическими характеристиками электромагнитной системы статор – ротор асинхронного двигателя.

Для выяснения функциональных возможностей аппаратов защиты от утечек тока на землю, в отношении выявления электрических параметров в присоединениях отключенной обмотки статора, научный и практический интерес представляет задача моделирования ЭДС указанной обмотки с учетом реальных параметров двигателя и питающей электрической сети.

Исследование явления формирования трансформаторных ЭДС в отключенной обмотке статора рационально проводить методами компьютерного моделирования.

Такой подход позволяет производить исследование процессов в системах, где проведение натурного эксперимента затруднено. Также предварительное математическое моделирование позволяет избежать ошибок при проведении опытов на реальных объектах и сохранить работоспособность используемого оборудования.

1. Анализ объекта исследований

Объектом исследования является двухскоростной асинхронный двигатель, предназначенный для создания простых и надежных систем автоматизированного электропривода скребкового конвейера, позволяющих ступенчато изменять частоту вращения ротора, а также получать длительные пониженные скорости привода для осуществления доставочных операций [2].

Специфика эксплуатации этого двигателя в качестве базового элемента электропривода шахтных скребковых конвейеров дает основание считать его функциональной составляющей шахтного участкового электротехнического комплекса. Поэтому на него распространяются все требования в отношении электробезопасности эксплуатации и, прежде всего, положение ГОСТ 22929–78 [3].

Двухскоростные асинхронные двигатели содержат на одном магнитопроводе две трехфазные статорные обмотки (в каждой соединение по схеме звезда 1 и 2 с четырьмя и двенадцатью полюсами и позволяют получать синхронные угловые скорости ротора, с ответственно 1500 об/мин и 500 об/мин. Это существенно способствует повышению безопасности эксплуатации конвейера: пуск конвейера с кратковременной степенью уменьшения (в 3 раза) скорости тягового органа; вспомогательные операции по доставке оборудования и материалов в очистной забой с меньшей скоростью. Схемы обмоток статора двухскоростного двигателя и его конструкция представлены на рисунках 1 и 2 соответственно.

Применение двухскоростных двигателей позволяет также решить задачу по снижению динамических нагрузок в тяговом органе путем выполнения определенной последовательности включения электродвигателей головного и хвостового привода на первую и вторую скорость. Работа двухскоростного двигателя по специальному графику позволяет снизить динамические нагрузки в тяговом органе при пуске, тем самым позволяя осуществить срывание конвейера на низкой скорости статическим моментом, т.е. без удара, а также снизить пусковой ток на низкой скорости, не уменьшая значение реализуемого момента.

Схема двухскоростного асинхронного двигателя приведена на рисунке 3.

На рисунке обозначено: трехфазный источник электропитания TV (трансформаторная подстанция с автоматическим выключателем SA); АЗУР – аппарат защиты от токов утечки; коммутационные аппараты KM1–KM2; гибкие кабели ГК₁–ГК₂; R_s1, R_s2, L_s1, L_s2 – активные сопротивления и индуктивности статоров; Z_тр1, Z_гк1, Z_гк2 – соответственно полные сопротивления трансформатора и гибких кабелей ГК1 и ГК2; R_из ф1, R_из ф2, L_из ф1, L_из ф2 – сопротивления и емкости изоляции кабельной сети.

Для дистанционной коммутации двигателя предполагается наличие специального пускателя, оснащенного двумя обособленными контакторами, к выходам которых посредством гибких кабелей присоединяются соответствующие статорные обмотки.

Эксплуатация двухскоростного АД в условиях шахтного участка отличается определенными особенностями, которые необходимо учитывать в целях обеспечения безопасности персонала от электропоражения. В частности, наличие двух обособленных обмоток на одном магнитопроводе создает трансформаторный эффект при включении одной из обмоток, что может привести к возникновению такого опасного состояния, как электропоражение человека в случае касания фазы отключенной обмотки статора. Этот вид опасности имеет место, несмотря на наличие в шахтной участковой электросети средств защиты от утечек тока на землю, поскольку действие этих средств не распространяется на контроль состояния отключенной обмотки статора двухскоростного двигателя из-за отсутствия электрической связи между обмотками его статора.

2. Анализ исследований и публикаций

Свойства двухскоростного асинхронного двигателя относительно воздействия на элементы питающей сети освещены в научной литературе отдельными публикациями, которые указывают на принципиальную возможность электропоражения человека в электросети присоединения отключенной обмотки статора и требуют дополнительного анализа. В частности, в результате эксперимента [8] получены диаграммы изменения ЭДС АД типа ЕКВФ-355L12/4.

Из полученных осциллограмм (рис. 4) видно, что при работе АД с номинальной угловой скоростью в обмотке пониженной скорости (ОПС) генерируется трехфазная ЭДС, представляемая двумя составляющими: высокочастотной с частотой f₁ = 1650 Гц и амплитудой U_m1 ≈ 100 В, и несущей с частотой f₂ = 143 Гц и амплитудой Um2 ≈ 142 В. При подключении ОПС к питающей сети в обмотке номинальной скорости (ОНС) генерируется ЭДС частотой f = 650 Гц. Действующие значения индуктированных ЭДС в фазах отключенных от сети питания обмоток статора: в обмотке пониженной скорости Е_опс = 145 В; в обмотке номинальной скорости Е_онш = 33 В. С учетом этих данных устанавливаются средние величины действующего тока в цепи утечки на землю (с сопротивлением R_ут = 1 кОм), параметры кабельной сети, проводимость изоляции которой создает условия для повышения тока утечки на землю до опасной величины (более, чем 25 мА).

Повышенные частоты трансформаторных ЭДС определяют существенное уменьшение емкостных сопротивлений изоляции кабелей, присоединенных к соответствующим обмоткам статора, с учетом величин трансформаторных ЭДС и при касания человеком токоведущих проводников кабеля отключенной обмотки статора двухскоростного АД, создает опасность электропоражения (рис. 5) [8].

Существующий принцип защиты от электропоражения в силовом присоединении отключенной обмотки статора двухскоростного АД заключается в создании пути следования оперативного тока участкового аппарата защиты от утечки тока на землю (АЗ) в цепь отключенной обмотки статора и в создании цепи кратковременной проводимости в реагирующем органе в момент образования утечки тока на землю в силовом присоединении статорной обмотки (рис. 6). Таким образом, постоянный оперативный ток АЗ будет поступать в присоединения отключенной обмотки статора (например, Статор1) через первичную обмотку трансформатора TV2. Поэтому, в случае касания человеком фазного проводника присоединения этой обмотки (образование цепи утечки тока на землю R_вит) должно произойти срабатывание АЗ, что приведет к отключению автоматического выключателя SA комплектной трансформаторной подстанции (КТП) участка.

Наряду с этим, определение момента образования цепи утечки тока на землю в отключенной обмотке статора выполняется путем создания цепи кратковременной проводимости через часть первичной обмотки трансформатора TV2, конденсатор С1, диод VD1, контур заземления, цепь R_вит утечки тока на землю и соответствующей фазы отключенной от сети статорной обмотки. В этом случае на выходе вторичной обмотки трансформатора TV2 будет создаваться импульсный сигнал, который приведет к срабатыванию реагирующего органа (РО), задействованного как элемент управления коммутационным средством защитного отделения от цепи R_вит утечки тока на землю энергетического потока отключенной от сети обмотки АД.

Определение состояния утечки тока на землю в отключенной обмотке статора будет иметь место и в случае, если это произошло, когда двигатель находился в режиме свободного выбега, после отключения от источника электропитания. В этом случае источником импульса в цепи кратковременной проводимости, образованной подключением конденсатора С1 и диода VD1 между выводом А обмотки трансформатора TV2 и зажимом заземления будет выступать трехфазная обратная ЭДС, генерирующаяся в обмотках статора АД вращающимся полем его ротора на интервале свободного выбега.

Схема присоединения конденсатора С1 последовательно в цепь определения информационного параметра, и подключение диода VD1 катодом к зажиму заземления, исключает влияние защитного средства на работу участкового аппарата защиты (АЗ) от утечки тока на землю [11].

Данное техническое решение обеспечивает защиту от утечки тока на землю в силовых присоединениях отключенной от сети питания обмотки статора двухскоростного асинхронного двигателя, как во время электропитания другой статорной обмотки, так и после отключения асинхронного двигателя от источника электропитания, на интервале пребывания в состоянии свободного выбега [3]. Однако представленное устройство определения утечки тока лишь распространяет защиту от утечек тока на землю со стороны комплектной трансформаторной подстанции, но не исключает опасный для человека фактор.

3. Цель и задачи исследований

Целью исследования является анализ характера изменения параметров трансформаторных ЭДС от различных условий эксплуатации и параметров применяемого оборудования и обеспечение, за счет научно-обоснованных параметров, защиты человека от электропоражения при касании силовых присоединений двухскоростного двигателя.

Для достижения поставленной цели необходимо решить ряд задач:

обосновать структуру модели процесса;

разработать математическую модель процесса формирования трансформаторных ЭДС и реализовать ее средствами вычислительной техники;

провести необходимые исследования и проанализировать результаты.

4. Результаты исследований

В качестве исходных данных для построения модели следует учесть форму и геометрию пазов магнитопровода статора, особенности закладки и распределения в этих пазах статорных обмоток, величину воздушного зазора между магнитопроводом статора и ротора, форму и геометрию магнитопровода ротора и угловую скорость его вращения, как параметр, устанавливающий частоту перекрытия пазов статора магнитопроводящим материалом фрагментов магнитной системы ротора.

В обобщенной форме процессы, происходящие в двухскоростном двигателе, могут быть представлены моделью однофазного трансформатора при поочередном перекрытии его магнитной системы магнитопроводом, при этом частота перекрытий может меняться, что соответствует процессам при работе двигателя [12].

Рассмотрим простейший случай – процессы при поочередном перекрытии П–образного магнитопровода однофазного трансформатора магнитопроводящей средой. Схема замещения магнитной цепи трансформатора представлена на рисунке 1, где обозначено: F₁, F₂ – магнитодвижущие силы первичной и вторичной обмоток соответственно; Ф₁, Ф₂ – магнитные потоки; Ф_s – магнитный поток рассеяния; U_M1, U_M2 – падение магнитного напряжения на первичном и вторичном стержнях магнитопровода; U_zaz1 – магнитное напряжение воздушного зазора между первичным стержнем и ярмом, U_zaz2 – магнитное напряжение на воздушном зазоре между вторичным стержнем и ярмом; U_z1, U_z2 – магнитное напряжение на левой и правой половинах ярма.

Рисунок 7 – Схема замещения магнитной цепи трансформатора

Для приведенной схемы замещения справедливы следующие зависимости [10]:

Магнитодвижущая сила первичной обмотки:

Магнитодвижущая сила вторичной обмотки:

Магнитный поток в цепи:

Магнитный поток первичной обмотки определяется исходя из выражения:

где: Ψ = ∫Edl – магнитное потокосцепление обмотки, w₁ – количество витков.

Требуемое напряжение на вторичной обмотке:

где I₂ = F₂ / w₂ – ток вторичной обмотки.

Реализовав приведенные зависимости программными средствами пакета MatLab, были получены осциллограммы напряжений на вторичной обмотке трансформатора при различных условиях.

Рисунок 8 – Осциллограммы напряжений на вторичной обмотке трансформатора при:
a) амплитуде 100 В, частоте 70π рад/с, 50х25х50, k = 1, Δ = 0.01;
б) амплитуде 100 В, частоте 70π рад/с, 50х25х50, k = 1, Δ = 0.09;
в) амплитуде 100 В, частоте 200π рад/с, 50х25х50, k = 1, Δ = 0.01;
г) амплитуде 100 В, частоте 200π рад/с, 50х25х50, k = 1, Δ = 0.09

Рисунок 9 – Осциллограммы напряжений на вторичной обмотке трансформатора при амплитуде 50 В, частоте 100π рад/с, 25х12х25, k = 1, Δ = 0.1

Рисунок 10 – Прикосновение человека к присоединениям двухскоростного АД (анимация: 15 кадров, 7 циклов повторения, 145 килобайт)

Выводы и направление дальнейших исследований

Обосновано наличие электропоражающих свойств в силовых присоединениях отключенной обмотки статора работающего двухскоростного асинхронного двигателя. Отключенная обмотка генерирует системы трехфазных ЭДС, амплитудные и частотные параметры которых достаточны для создания опасных, по фактору электропоражения, токов в цепи утечки на землю.

На основании исследования разработанной модели можно сделать вывод, что задание в частоте и очередности перекрытия воздушных зазоров магнитопроводящим материалом позволило получить формы ЭДС с искажениями близкими к реально существующим. Следовательно, данный подход может быть применен при дальнейшем исследовании уточненной модели двухскоростного асинхронного двигателя на основе представления его в виде совокупности трансформаторных компонентов.

При написании данного реферата квалификационная работа магистра не завершена. Дата окончательного завершения работы – январь 2016 г. Полный текст работы и материалы по теме работы могут быть получены у автора или его научного руководителя после указанной даты.

Текст реферата является интеллектуальной собственностью, которую запрещено использовать и копировать без договоренности с автором.

Список источников

1. Маренич К. М. Анализ параметров эксплуатационной безопасности двухскоростного асинхронного двигателя шахтного скребкового конвейера / К. М. Маренич // Наукові праці Донецького державного технічного університету. Серія гірничо-електромеханічна. Вип. 35. – Донецьк, ДонДТУ, 2001. – С. 127–131.
2. Правила технічної експлуатації електроустановок споживачів. Затв. 25.07.2006 № 258 / Міністерство палива та енергетики України. Х. Індустрія, 2007. – 272 с.
3. Маренич К. М. Автоматичний захист електроустаткування шахт від аварійних станів і небезпек / К. М. Маренич, І. В. Ковальова // Навч. посіб. для вищ. навч. закл. – Донецьк: ДВНЗ «ДонНТУ», 2013. – 199 с.
4. Чугреев Л. И. Динамика конвейеров с цепным тяговым органом / Л. И. Чугреев – М.: Недра, 1976. – 256 с.
5. Маренич К. М. Автоматизований електропривод машин і установок шахт та рудників: навч. посібник для вузів / К. М. Маренич, Ю. В. Товстик, В. В. Турупалов, С. В. Василець, І. Я. Лізан // Донецьк: ДонНТУ, Харків: УІПА, 2011. – 245 с.
6. Леусенко А. В. Скребковые конвейеры / А.В. Леусенко // Справочник. – М.: Недра, 1992. – 221 с.
7. Маренич К. М. Електрообладнання технологічних установок гірничих підприємств / К. М. Маренич, В. В. Калінін, Ю. В. Товстик, І. Я. Лізан, В. В. Коломієць // Навч. посіб. для вищ. навч. закл. – Донецьк: ДонНТУ, Харків: УІПА, 2009. – 372 с.
8. Маренич К.М. Наукові основи впровадження автоматичного захисного двобічного знеструмлення шахтної дільничної електромережі: монографія / К. М. Маренич, І. В. Ковальова. – Донецьк: ДВНЗ ДонНТУ, 2012. – 125 с.
9. Бессонов Л. А. Теоретические основы электротехники: Электрические цепи / Л. А. Бессонов // Учебник для студентов вузов. – М.: Высшая школа, 1996.
10. Кацман М. М. Электрические машины / М. М. Кацман // Учебник для студентов вузов. – М.: Академия, 2001. – 463 с.
11. Наукові праці Донецького національного технічного університету. Серія Електротехніка і енергетика. Вип. 1 (14). – Донецьк: ДонНТУ, 2013. – С. 183–188.
12. Дубинка Е. С., Маренич К. Н. Принцип моделирования процесса формирования ЭДС отключенной обмотки статора двухскоростного асинхронного двигателя / Е. С. Дубинка, К. Н. Маренич // ХV международная научно-техническая конференция Автоматизация технологических объектов и процессов. Поиск молодых. – Донецк: ДонНТУ, 2015.