Дослідження параметрів електробезпеки та вдосконалення автоматичного захисту від витоків в силових приєднаннях двошвидкісного асинхронного двигуна гірничої машини

Реферат за темою випускної роботи

Зміст

• Вступ
• 1. Аналіз об’єкта досліджень
• 2. Аналіз досліджень і публікацій
• 3. Мета і завдання досліджень
• 4. Результати досліджень
• Висновки та напрямок подальших досліджень
• Перелік посилань

Вступ

Двошвидкісний асинхронний двигун (АД) відноситься до базових машинам електроприводу скребкових конвеєрів (СК). Його застосування дозволяє здійснювати пуск конвеєра з короткочасною ступінню зниженій швидкості, а також реалізовувати доставні операції на зниженій швидкості.

Досвід експлуатації двохшвидкісного АД дозволив виявити наявність електрорушійної сили (ЕРС) у відключених обмотках статора, що за відсутності контролю ланцюга витоку в його силових приєднаннях створює потенційну небезпеку електропоразки і вимагає додаткових спеціальних досліджень.

Експериментально отримані осцилограми зміни ЕРС АД типу ЕДКВФ – 355L12/4 у відключеній обмотці статора при електроживленні іншої свідчать, що при роботі АД з номінальною кутовою швидкістю в обмотці зниженої швидкості (ОЗШ) генерується трифазна ЕРС.

Попередній аналіз цих діаграм дозволяє зробити висновки про істотні відмінності її за формою і частотою від відповідних параметрів номінальної напруги мережі і про наявність сукупності високочастотних і низькочастотних складових, що вносять свою специфіку в процес формування струму й кількості електрики в ланцюзі витоку на землю [1].

Логічно припустити, що процес формування ЕРС відключеної обмотки статора в значній мірі визначається конструктивними особливостями і динамічними характеристиками електромагнітної системи „статор – ротор“ асинхронного двигуна.

Для з’ясування функціональних можливостей апаратів захисту від витоків струму на землю, щодо виявлення електричних параметрів у приєднаннях відключеної обмотки статора, науковий і практичний інтерес представляє завдання моделювання ЕРС зазначеної обмотки з урахуванням реальних параметрів двигуна і живлячої електричної мережі.

Дослідження явища формування трансформаторних ЕРС у відключеній обмотці статора раціонально проводити методами комп’ютерного моделювання. Такий підхід дозволяє проводити дослідження процесів в системах, де проведення натурного експерименту ускладнено. Також попереднє математичне моделювання дозволяє уникнути помилок при проведенні дослідів на реальних об’єктах і зберегти працездатність використовуваного обладнання.

1. Аналіз об’єкта досліджень

Об’єктом дослідження є двошвидкісний асинхронний двигун, призначений для створення простих і надійних систем автоматизованого електроприводу скребкового конвеєра, що дозволяють поступово змінювати частоту обертання ротора, а також отримувати тривалі знижені швидкості приводу для здійснення постачальних операцій [2].

Специфіка експлуатації цього двигуна в якості базового елементу електроприводу шахтних скребкових конвеєрів дає підставу вважати його функціональною складовою шахтного дільничного електротехнічного комплексу. Тому на нього поширюються всі вимоги щодо електробезпеки експлуатації і, насамперед, положення ДСТУ 22929–78 [3].

Двошвидкісні асинхронні двигуни містять на одному магнітопроводі дві трифазні статорні обмотки (в кожній з’єднання за схемою „зірка“ 1 і 2 з чотирма і дванадцятьма полюсами і дозволяють отримувати синхронні кутові швидкості ротора, відповідно 1500 об/хв і 500 об/хв. Це істотно сприяє підвищенню безпеки експлуатації конвеєра: пуск конвеєра з короткочасною ступінню зменшення (в 3 рази) швидкості тягового органу; допоміжні операції з доставки обладнання і матеріалів в очисний вибій з меншою швидкістю. Схеми обмоток статора двошвидкісного двигуна і його конструкція представлені на рисунках 1 і 2 відповідно.

Застосування двошвидкісних двигунів дозволяє вирішити завдання щодо зниження динамічних навантажень в тяговому органі шляхом виконання певної послідовності включення електродвигунів головного і хвостового приводу на першу і другу швидкість. Робота двохшвидкісного двигуна за спеціальним графіком дозволяє знизити динамічні навантаження в тяговому органі при пуску, чим здійснює зривання конвеєра на низькій швидкості статичним моментом, тобто без удару, а також знизити пусковий струм на низькій швидкості.

Схема двошвидкісного асинхронного двигуна наведена на рисунку 3.

На рисунку позначено: трифазне джерело електроживлення TV (трансформаторна підстанція з автоматичним вимикачем SA); АЗУР – апарат захисту від струмів витоку; комутаційні апарати KM1–KM2; гнучкі кабелі ГК₁–ГК₂; R_s1, R_s2, L_s1, L_s2 – активні опори й індуктивності статорів; Z_тр1, Z_гк1, Z_гк2 – повні опори трансформатора і гнучких кабелів ГК1 и ГК2; R_из ф1, R_из ф2, L_из ф1, L_из ф2 – опори і ємності ізоляції кабельної мережі.

Для дистанційної комутації двигуна передбачається наявність спеціального пускача, оснащеного двома відокремленими контакторами, до виходів яких за допомогою гнучких кабелів приєднуються відповідні статорні обмотки.

Експлуатація двошвидкісного АД в умовах шахтної ділянки відрізняється певними особливостями, які необхідно враховувати в цілях забезпечення безпеки персоналу від електропоразки. Зокрема, наявність двох відокремлених обмоток на одному магнітопроводі створює трансформаторний ефект у разі включення однієї з обмоток, що може призвести до виникнення такого небезпечного стану, як електропоразка людини у випадку торкання фази відключеної обмотки статора. Цей вид небезпеки має місце, незважаючи на наявність в шахтній дільничній електромережі засобів захисту від витоків струму на землю, оскільки їх дія не поширюється на контроль стану відключеною обмотки статора двошвидкісного двигуна через відсутність електричного зв’язку між обмотками його статора.

2. Аналіз досліджень і публікацій

Властивості двохшвидкісного асинхронного двигуна щодо впливу на елементи мережі живлення висвітлені в науковій літературі окремими публікаціями, які вказують на принципову можливість електропоразки людини в електромережі приєднаннями відключеної обмотки статора і вимагають додаткового аналізу. Зокрема, в результаті експерименту [10] отримані діаграми зміни ЕРС АД типу ЕКВФ-355L12/4.

З отриманих осцилограм (рис. 4) можна побачити, що при роботі АД з номінальною кутовою швидкістю в обмотці зниженій швидкості (ОЗШ) генерується трифазна ЕРС, яка представляється двома складовими: високочастотною з частотою f₁ = 1650 Гц та амплітудою U_m1 ≈ 100 В, і несучої з частотою f₂ = 143 Гц та амплітудою Um2 ≈ 142 В. При підключенні ОЗШ до мережі живлення в обмотці номінальної швидкості (ОНШ) генерується ЕРС частотою f = 650 Гц. Діючі значення індуктованих ЕРС у фазах відключених від мережі живлення обмоток статора: в обмотці зниженій швидкості Е_озш = 145 В; в обмотці номінальної швидкості Е_онш = 33 В. З урахуванням цих даних встановлюються середні величини діючого струму в ланцюзі витоку на землю (з опором R_вит = 1 кОм), параметри кабельної мережі, провідність ізоляції якої створює умови для підвищення струму витоку на землю до небезпечної величини (більше, ніж 25 мА).

Підвищені частоти трансформаторних ЕРС визначають істотне зменшення ємнісних опорів ізоляції кабелів, приєднаних до відповідних обмотках статора, з урахуванням величин трансформаторних ЕРС і у разі дотику людини до струмоведучих провідників кабелю відключеної обмотки статора двошвидкісного АД, створюють небезпеку електропораження (рис. 5) [8].

Існуючий принцип захисту від електропоразки в силовому приєднанні відключеної обмотки статора двошвидкісного АД полягає у створенні шляху проходження оперативного струму дільничного апарата захисту від витоку струму на землю (АЗ) в ланцюг відключеної обмотки статора і в створенні ланцюга короткочасної провідності в реагуючому органі в момент утворення витоку струму на землю в силовому приєднанні обмотки статора (рис. 6). Так постійний оперативний струм АЗ надходитиме в приєднання відключеної обмотки статора (наприклад, „Статор1“) через первинну обмотку трансформатора TV2. Тому в разі торкання людиною фазного провідника приєднання цієї обмотки (утворення кола струму витоку на землю R_вит) має відбутись спрацьовування АЗ, що призведе до відключення автоматичного вимикача SA комплектної трансформаторної підстанції (КТП) дільниці.

Поряд з цим, визначення моменту утворення кола витоку струму на землю у відключеній обмотці статора виконується шляхом створення ланцюга короткочасної провідності через частину первинної обмотки трансформатора TV2, конденсатор С1, діод VD1, контур заземлення, коло R_вит витоку струму на землю і відповідну фазу відключеної від мережі статорної обмотки. В цьому разі на виході вторинної обмотки трансформатора TV2 створюватиметься імпульсний сигнал, який призводитиме до спрацьовування реагуючого органу (РО), задіяного як елемент управління комутаційним засобом захисного відокремлення від кола R_вит витоку струму на землю енергетичного потоку відключеної від мережі обмотки АД.

Визначення стану витоку струму на землю у відключеній обмотці статора матиме місце і в разі, якщо цей стан відбувся, коли двигун знаходився в режимі вільного вибігу після відключення від джерела електроживлення. В цьому разі джерелом імпульсу в колі короткочасної провідності, утвореної підключенням конденсатора С1 та діода VD1 між виводом „А“ обмотки трансформатора TV2 та затиском заземлення виступатиме трифазна зворотна ЕРС, що наводиться в обмотках статора АД обертаючимся полем його ротора на інтервалі вільного вибігу.

Схема приєднання конденсатора С1 послідовно у коло визначення інформаційного параметру і підключення діода VD1 катодом до затиску заземлення виключає вплив захисного засобу на роботу дільничного апарата захисту (АЗ) від витоку струму на землю [11].

Приведене технічне рішення забезпечує захист від витоку струму на землю в силових приєднаннях відключеної від мережі живлення обмотки статора двошвидкісного асинхронного двигуна, як під час електроживлення іншої обмотки статора, так і після відключення асинхронного двигуна від джерела електроживлення, на інтервалі перебування в стані вільного вибігу [3]. Однак під час використання наведеного пристрою визначення витоку струму на землю відбувається лише поширення захисту від витоків струму з боку комплектної трансформаторної підстанції, але не виключається небезпечний для людини фактор.

3. Мета і завдання досліджень

Метою дослідження є аналіз характеру зміни параметрів трансформаторних ЕРС від різних умов експлуатації і параметрів застосовуваного обладнання та забезпечення, за рахунок науково-обгрунтованих параметрів, захисту людини від електропоразки у разі торкання силових приєднань двошвидкісного двигуна.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити ряд завдань:

обґрунтувати структуру моделі процесу;

розробити математичну модель процесу формування трансформаторних ЕРС і реалізувати її засобами обчислювальної техніки;

провести необхідні дослідження та проаналізувати результати.

4. Результати досліджень

В якості вихідних даних для побудови моделі слід враховувати форму і геометрію пазів магнітопроводу статора, особливості закладки та розподілу в цих пазах статорних обмоток, величину повітряного зазору між магнітопроводом статора і ротора, форму і геометрію магнітопроводу ротора і кутову швидкість його обертання, як параметр, що встановлює частоту перекриття пазів статора магнітопровідним матеріалом фрагментів магнітної системи ротора.

В узагальненій формі процеси, що відбуваються в двохшвидкісному двигуні, можуть бути представлені моделлю однофазного трансформатора при почерговому перекритті його магнітної системи магнітопроводом, при цьому частота перекриття може змінюватися, що відповідає процесам при роботі двигуна [12].

Розглянемо найпростіший випадок – процеси при почерговому перекритті П-образного магнітопровода однофазного трансформатора магнітопровідним середовищем. Схема заміщення магнітного кола трансформатора представлена на рисунку 1, де позначено: F₁, F₂ – магніторушійної сили первинної та вторинної обмоток відповідно; Ф₁, Ф₂ – магнітні потоки; Ф_s – магнітний потік розсіювання; U_M1, U_M2 – падіння магнітної напруги на первинному і вторинному стержнях магнітопроводу; U_zaz1 – магнітна напруга повітряного зазору між первинним стрижнем і ярмом, U_zaz2 – магнітне напруга на повітряному зазорі між вторинним стрижнем і ярмом; U_z1, U_z2 – магнітне напруга на лівій і правій половинах ярма.

Рисунок 7 – Схема заміщення магнітного кола трансформатора

Для наведеної схеми заміщення справедливі наступні залежності [10]:

Магніторушійна сила первинної обмотки:

Магніторушійна сила вторинної обмотки:

Магнітний потік у колі:

Магнітний потік заданої обмотки визначається виходячи з виразу:

де: Ψ = ∫Edl – магнітне потокозчеплення обмотки, w₁ – кількість витків.

Необхідна напруга на вторинній обмотці:

де I₂ = F₂ / w₂ – струм вторинної обмотки.

В результаті моделювання отримані осцилограми напруг на вторинній обмотці трансформатора для різних умов.

Рисунок 8 – Осцилограми напруг на вторинній обмотці трансформатора для:
a) амплітуди 100 В, з частотою 70π рад/с, 50х25х50, k = 1, Δ = 0.01;
б) амплітуди 100 В, з частотою 70π рад/с, 50х25х50, k = 1, Δ = 0.09;
в) амплітуди 100 В, з частотою 200π рад/с, 50х25х50, k = 1, Δ = 0.01;
г) амплітуди 100 В, з частотою 200π рад/с, 50х25х50, k = 1, Δ = 0.09

Рисунок 9 – Осцилограми напруг на вторинній обмотці трансформатора для амплітуди 50 В, з частотою 100π рад/с, 25х12х25, k = 1, Δ = 0.1

Рисунок 10 – Дотик людини до приєднань двошвидкісного АД (анімація: 15 кадрів, 7 циклів повторення, 145 кілобайт)

Висновки та напрямок подальших досліджень

Доведена властивість працюючого двошвидкісного асинхронного двигуна утворювати небезпеку електроураження в силовому приєднанні відключеної обмотки статора, що генерує системи трифазних ЕРС, амплітудні і частотні параметри яких достатні для створення небезпечних, за фактором електроураження, струмів в колі витоку на землю.

В результаті дослідження розробленої моделі можна зробити висновок, що завдання в частоті і почерговості перекриття повітряних зазорів магнітопровідним матеріалом дозволило отримати форми ЕРС зі спотвореннями близькими до реально існуючих. Отже, даний підхід може бути застосований при подальшому дослідженні уточненої моделі двошвидкісного асинхронного двигуна на основі представлення його у вигляді сукупності трансформаторних компонентів.

Під час написання даного реферату магістерська робота ще не завершена. Дата остаточного завершення роботи – січень 2016 р. Повний текст роботи та матеріали по темі можуть бути отримані у автора або його наукового керівника після вказаної дати.

Текст реферату є інтелектуальною власністю, яку заборонено використовувати і копіювати без домовленості з автором.

Перелік посилань

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.