Содержание
- Введение
- 1. Актуальность темы
- 2. Цель и задачи исследования
- 3. Анализ предыдущих исследований
- 4. Материал и результаты исследования
- Выводы
- Список источников
Введение
Среди устройств, преобразующих электрическую энергию в механическую, несомненными лидерами являются трехфазные асинхронные двигатели. Их доля составляет около 85% всех электрических машин. Они очень просты и надежны, что делает их хорошим выбором для привода механизмов промышленных предприятий и системы собственных нужд электростанций. Несмотря на то, что их конструкция проста и надежна, повреждаемость электродвигателей достигает 25% от общего числа работающих двигателей в год, что в свою очередь, ведет к крупным ремонтным работам. В настоящее время все большее количество предприятий уделяют большое внимание разработке, производству и установке релейной защиты и автоматике, выполненной на микропроцессорной базе.
Считается, что нормальный срок службы асинхронного электродвигателя 15–20 лет при условии нормальной эксплуатации, однако, есть ряд факторов, существенно снижающих этот показатель: плохое качество питающего напряжения, повышенная температура, влажность. В результате неблагоприятных воздействий около 10% электродвигателей выходят из строя.
Аварии, причиной которых является поломка электродвигателей, обычно приводят к крупному материальному ущербу из-за простоя всего технологического процесса.Все 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, 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. Именно для этого появилась необходимость в устройствах защиты и мониторинга состояния асинхронных электродвигателей. Современные стандарты большинства стран мира предъявляют все более высокие требования к технической эксплуатации электроустановок. Необходимость в постоянном мониторинге работы дорогостоящего оборудования усиливает потребность в использовании высококачественной, надежной и комплексной защиты электродвигателей.
1. Актуальность темы
Ключевым электродвигателями переменного тока, массово применяемыми в качестве электропривода механизмов системы собственных нужд электростанций и промышленных предприятий, являются асинхронные электродвигатели (АД) с короткозамкнутым ротором (КЗР). Данные машины характеризуются простотой конструкции, относительной надёжностью и удобством обслуживания. Однако, несмотря на вышеперечисленные достоинства, как справедливо показано в [1,2] АД с КЗР имеют достаточно высокий процент повреждаемости (порядка 25-30 % за год от общего количества эксплуатируемых машин), связанный с работой в аварийных и анормальных режимах, а также с некорректной работой устройств релейной защиты и автоматики (РЗиА). Повреждаемость АД с КЗР возможно снизить за счёт дальнейшего усовершенствования систем РЗиА. Поэтому, задача совершенствования тепловой защиты асинхронных электродвигателей является актуальной.
2. Цель и задачи исследования
Работа посвящена совершенствованию тепловой защиты низковольтных асинхронных машин с короткозамкнутым ротором, на основе контроля эквивалентной температуры нагрева по данным определения входного активного сопротивления прямой последовательности в холодном и горячем состояниях. Вычисление входных сопротивлений осуществляется на основе измерения фазных токов и напряжений, а также величины скольжения. Работоспособность предложенной тепловой защиты проверена на ПЭВМ с использованием методов математического моделирования для асинхронного двигателя мощностью 5,5 кВт и напряжением статора 0,4 кВ
3. Анализ предыдущих исследований
Вопросам совершенствования РЗиА асинхронных машин, в том числе и асинхронных электродвигателей (АЭД) с КЗР посвящено большое количество научных работ [1–6], в которых основное внимание уделено тепловым защитам (ТЗ). В [1–3], показаны модернизированные защиты от тепловой перегрузки, особенностью которых является использование псевдотепловых моделей, недостатками которых является неудовлетворительная работа в ряде анормальных и аварийных режимах работы, таких как смешанный режим, обрыв стержней КЗР и др. В [4–6], представлены наиболее перспективные алгоритмы ТЗ, основанные на контроле параметров текущего режима, однако требующие дальнейшей модернизации для применения в качестве защиты низковольтных АМ с КЗР.
4.Материал и результаты исследования
В качестве платформы для совершенствования ТЗ низковольтных АМ с КЗР будем использовать алгоритм контроля эквивалентной температуры нагрева асинхронной машины на основе измерения параметров текущего режима, изложенный в [5]. В отличие от алгоритма ТЗ, представленного в [5] будем использовать для определения эквивалентной температуры нагрева асинхронной машины на основе измерения мгновенных значений фазных токов и напряжений, а также величины скольжения.С целью более корректной работы в несимметричных режимах будем использовать расчёт на каждом шаге работы микроконтроллера входных активных сопротивлений прямой последовательности (ПП), аналогично алгоритму, представленному в [6].
В данной работе в основе алгоритма ТЗ будем применять одноконтурную эквивалентную схему замещения (ЭСЗ) АМ с контуром потерь в стали статора и учётом скин-эффекта прямой последовательности, показанную на рис.1. Все вычисления будем выполнять в системе относительных единиц (о.е.). Параметры избранной ЭСЗ АМ с КЗР будем определять с использованием метода, изложенного в [7]. Скин-эффект в данной схеме замещения учитывается упрощённо с помощью линейных зависимостей (1), что приемлемо для низковольтных машин.
Рисунок 1 – Одноконтурная эквивалентная схема замещения асинхронной машины
прямой последовательности с контуром потерь в стали статора с учётом скин–эффекта
(анимация 6 кадров,6 циклов)
Идеей ТЗ, как и в [5] является определение в масштабе реального времени эквивалентной температуры нагрева асинхронной машины путём сравнения текущего расчётного значения входного активного сопротивления в горячем состоянии с известным значением холодного состояния.На каждом шаге работы микропроцессорного терминала РЗиА для определения эквивалентной температуры нагрева АМ с КЗР должны производиться следующие вычислительные операции:
• Измерение мгновенных значений токов (ia, ib, ic) и напряжений(ua, ub, uc) фаз a, b и c;
• При наличии датчика температуры, встроенного в обмотку статора, корректируем текущее значение активных сопротивлений статора и контура потерь в стали магнитопровода статора, аналогично [6];
• Измерение величины скольжения (s) одним из известных способов, например, датчиком угла положения ротора, установленным на валу АМ [3–6];
• Вычисление модулей обобщённого вектора тока и напряжения статора ПП асинхронного машины:
• Расчёт мощности ПП АМ с КЗР:
• Определение входного активного сопротивления прямой последовательности в горячем состоянии:
• Определение входного активного сопротивления ПП машины в холодном (исходном) RВХисх.1 ( s ) состоянии для текущей величины скольжения s:
• Определение текущего значения эквивалентной температуры нагрева АЭД с КЗР на основе сравнения входного активного сопротивления ПП, измеренного в горячем состоянии и известного сопротивления в холодном (исходном) состоянии для текущей величины скольжения:
Работоспособность предложенной тепловой защиты асинхронной машины была проверена на современной ПЭВМ с использованием методов математического моделирования для АЭД с КЗР типа АИР-112-М4, каталожные данные которого представлены в табл.1. В работе применялась математическая модель АЭД с КЗР на основе полных дифференциальных уравнений, приведенная в [5]. Параметры ЭСЗ АМ для температуры 750С были определены на основе каталожных данных, согласно [7], и представлены в табл.2.
Результаты расчётов режима увеличения нагрузки на валу (наброса нагрузки), подтверждающие правильность алгоритма приведены на Рис.2 в виде зависимости от времени эквивалентной температуры нагрева АЭД с КЗР, определённой по предложенному в работе алгоритму (VR) и температурой, рассчитанной по определённому закону (VR*) как и в [5]. Совпадение практически VАЭД подтверждает правильность работы ТЗ АМ с КЗР. Также, аналогично[6], проверена корректная работа ТЗ при различных коэффициентах несимметрии, что подтверждает нивелирование влияния несимметричных режимов работы на точность определения температуры машины.
Рисунок 2 – Зависимость эквивалентной температуры нагрева АЭД с КЗР типа АИР-112-М4 от времени
Выводы
В работе предложен усовершенствованный алгоритм тепловой защиты низковольтных асинхронных машин с короткозамкнутым ротором на основе контроля параметров текущего режима. Предложено косвенно определять эквивалентную температуру нагрева машины на основе определения по данным измерений параметров текущего режима входных сопротивлений прямой последовательности, что позитивно сказывается на работе тепловой защиты в различных несимметричных режимах. Работоспособность предложенной тепловой защиты проверена на ПЭВМ с использованием методов математического моделирования для асинхронного двигателя мощностью 5,5 кВт и напряжением статора 0,4 кВ.
Вышеизложенный материал был представлен на международной научно-технической конференции «Инновационные перспективы Донбасса», а также опубликован в соответствующем сборнике научных трудов конференции, вошедшем в базу РИНЦ [8].
При написании данного реферата магистерская работа еще не завершена. Окончательное завершение: июнь 2018 года. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.
Список источников
- Корогодский В.И. Релейная защита электродвигателей напряжением выше 1кВ/С.Л. Кужеков, Л.Б. Паперно – М.: Энергоатомиздат, 1987. – 248 с.
- Гусаров А.А. Определение температуры элементов тепловой схемы замещения асинхронного двигателя для разработки теплового реле и диагностики / А.А. Гусаров, Е.Б. Ковалёв // Сборник научных трудов УкрВНИИВЭ. Серия «Взрывозащищённое оборудование». –2009. – С. 155 – 161.
- Zocholl S.E. On the protection of thermal processes power delivery / S.E. Zocholl, G. Benmouyal // IEEE Transactions on Vol.20, Issue 2 – 2005. – P.: 1240 – 1246;
- Ткаченко С.Н. Цифровая релейная защита низковольтных асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором системы собственных нужд электростанций / Збірник наукових праць ДВНЗ «Донецький національний технічний університет». Серія «Електротехніка і енергетика». – випуск 2 (15). – Донецьк, 2013. – С. 217 – 222.
- Ткаченко С.Н. Прогнозирование срока службы асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором на основе контроля параметров текущего режима / С.Н. Ткаченко – Завалишинские чтения'16, ГУАП, г. СПб, №4.– 2016. – С.246-249.
- Сивокобыленко В.Ф. Моделирование алгоритма тепловой защиты короткозамкнутого ротора асинхронного электродвигателя / В.Ф. Сивокобыленко, С.Н. Ткаченко // Вісник національного університету «Львівська політехніка». «Електроенергетичні та електромеханічні системи». – № 654. – Львів,2009. – С.203–209.
- Ткаченко С.Н. Метод идентификации параметров эквивалентных схем замещения асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором / Ткаченко С.Н. // Збірник наукових праць ДВНЗ «Донецький національний тех-нічний університет». Серія «Електротехніка і енергетика». – випуск 1 (16). – Донецьк, 2014. – С. 210 – 215.
- Ткаченко С.Н.,Коваленко А.В., Киселёв В.А. Совершенствование тепловой защиты низковольтных асинхронных машин с короткозамкнутым ротором / Иновационные перспективы Донбасса, 4-й международной научно-практической конференции 2018.