UA   ENG

ДонНТУ   Портал магистров

Беззуб Вадим Геннадиевич

Факультет компьютерных информационных технологий и автоматики

Кафедра горной электротехники и автоматики им. Р. М. Лейбова

Специальность Автоматизация производственных процессов и производств

Исследование и разработка адаптивной системы защиты электрооборудования

Научный руководитель: к.т.н. Лавшонок Андрей Валериевич

Резюме Биография Реферат Библиотека Ссылки Отчет о поиске Индивидуальный раздел

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

• Введение
• 1. Актуальность темы
• 2. Цель и задачи исследования, планируемые результаты
• 3. Обзор исследований и разработок
• 3.1 Аварийные режимы систем электрооборудования
• 3.2 Обзор имеющихся технических решений
• 4. Математическое описание модели исследуемого объекта
• Выводы
• Список источников

Введение

Непрерывно растущие требования к электробезопасности персонала и к экономической эффективности во всех отраслях промышленности приводят к повышению внимания к проблемам надежной защиты систем промышленного оборудования, и, как следствие, к электрозащите двигателей. Тем самым показана актуальность представленного исследования. Исходя из этого, при эксплуатации современной системы управления асинхронным двигателем должны обеспечиваться оптимальные параметры закона управления, высокая надежность и точность регулирования частоты, невысокая стоимость, и, в дополнение к этому, максимальная экономия электроэнергии. Достичь требуемых технологических параметров позволяют системы управления на базе микропроцессоров. Целью магистерской диссертации является разработка систем защиты промышленного оборудования, в составе которого есть асинхронный двигатель на базе программируемого микроконтроллера, удовлетворяющей современным высоким технологическим требованиям.

Основной причиной возникновения коротких замыканий в подземных электрических установках являются механические воздействия. Рудничная электрическая аппаратура и электродвигатели имеют механически прочные оболочки, защищающие их активную часть от внешних воздействий. В то же время в подземных выработках шахт эксплуатируются многие километры бронируемых и гибких кабелей, оболочки которых имеют недостаточную механическую прочность. При этом наибольшую аварийность имеют гибкие кабели, прокладываемые непосредственно в забоях. При повреждениях кабелей, кроме однофазных, возможно появления междуфазных утечек, перерастающих в токи коротких замыканий. Кроме того, токи коротких замыканий могут возникнуть в результате повреждения кабеля обрушившейся породой или пачкой угля, а также перемещающимся забойным оборудованием или транспортными средствами. В этой работе рассмотрены вопросы, относящиеся к теории коротких замыканий, а также смоделирован процесс короткого замыкания в участковой электросети в зависимости от совокупности влияющих факторов.

1. Актуальность темы

Рудничное электрическое оборудование подвергается влиянию влажной атмосферы и угольной пыли. В условиях эксплуатации угольная пыль и влага оседает на поверхности электроизоляционных деталей электрического оборудования, в результате чего появляются токи утечки, которые при определенных условиях перерастают в токи короткого замыкания. При периодических нагреве и охлаждении рудничного электрического оборудования может образовываться роса, которая также будет создавать условия для возникновения КЗ. В результате проведенных наблюдений установлено, что отказы автоматических выключателей АВ из-за нарушения изоляции между фазами составляют 17,6% от общего числа отказов.

В настоящее время проблема безопасности в горной промышленности имеет огромное значение. В первую очередь, это касается работы угольных шахт, которые характеризуются такими специфическими видами опасностей, как например, метановая, повышенная опасность обрушений кровли и т.п. Наиболее опасные последствия оказываются обычно в силовых элементах, которые примыкают к месту возникновения КЗ. Если КЗ на значительном электрическом расстоянии от источника питания, то увеличение тока воспринимается генераторами как некоторое повышение нагрузки. Существенное снижение напряжения происходит лишь возле места трехфазного КЗ [1].

Говоря о системе электрооборудования, мы понимаем систему, в составе которой присутствует двигатель. Девяносто пять процентов двигателей, эксплуатируемых во всем мире, являются асинхронными. В сравнении с другими типами электродвигателей асинхронный имеет лучшие параметры над?жности, что обуславливает его широкое применение в различных сферах производственной деятельности. Выбор электродвигателей согласно их номинальным параметрам (номинальной мощности, режиму работы и форме исполнения) в конечном итоге влияет на бесперебойную работу всей электросистемы. Также необходимо соблюдать необходимые требования и правила при составлении электрической схемы, выборе пускорегулирующей аппаратуры, проводов и кабелей, монтаже и эксплуатации схемы. Чтобы обеспечить защиту исследуемого объекта, первоначально необходимо изучить работу систем электрооборудования в аварийных режимах.

2. Цель и задачи исследования, планируемые результаты

Основные задачи исследования:

1. Изучить аварийные режимы работы асинхронного двигателя и соответствующие им системы защит;
2. Разработать модели в программной среде Simulink Matlab, позволяющую имитировать максимально-токовую защиту и автоматическое резервирование двигателя;
3. Разработать системы защит электропривода переменного тока;
4. Обработать и провести сравнительный анализ полученных данных.

Объект исследования:электрическая схема добычного участка

Предмет исследования:асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором

В рамках магистерской работы планируется получение актуальных научных результатов по следующим направлениям:

1. надежность системы автоматики при аварийных режимах;
2. исследование переходных процессов в двигателях с преобразователями частоты или с тиристорным управлением;
3. совешенствование максимальной токовой защиты;
4. применение искусственного интеллекта в работе электрооборудования.

3. Обзор исследований и разработок

Структура электротехнического комплекса очистного участка шахты строится в соответствии с положениями нормативных документов и содержит источник электропитания – комплектную трансформаторную подстанцию (КТП), распредпункт участка (РП) и асинхронные электродвигатели (М) потребителей (рис.1).В свою очередь, участковый распредпункт может быть представлен совокупностью магнитных пускателей (П), от которых по радиальной схеме к асинхронным двигателям соответствующих потребителей ведёт разветвлённая сеть гибких кабелей (ГК)[3].

Групповой автоматический выключатель (АВ) применяется на вводе участкового распредпункта с целью подачи (снятия) напряжений на РП вручную и отключения его в автоматическом режиме при условии исчезновения напряжения в сети, возникновении короткого замыкания в присоединении или наличии команды внешней технологической защиты (например, газовая защита). Подача напряжения от участковой подстанции на ввод группового автоматического выключателя распределительного пункта осуществляется по магистральному кабелю (МК), в качестве которого принимают бронированные или полугибкие экранированные кабели.

3.1 Аварийные режимы систем электрооборудования

Вероятность появления аварийных (ненормальных) режимов для электрооборудования (включая двигатель) разрабатываемой системы присутствует даже для правильно спроектированной и эксплуатируемой системы.

К аварийным режимам относятся:
• многофазные и однофазные короткие замыкания в обмотках электродвигателя;
• многофазные короткие замыкания в выводной коробке электродвигателя и во внешней силовой цепи;
• короткие замыкания на корпус или нулевой провод внутри двигателя или во внешней цепи – в сетях с заземленной нейтралью;
• короткие замыкания в цепи управления

Короткие замыкания являются наиболее опасными аварийными режимами в электроустановках.В большинстве случаев они возникают из-за пробоя или перекрытия изоляции. Токи короткого замыкания иногда достигают величин, в десятки и сотни раз превосходящих значения токов нормального режима, а их тепловое воздействие и динамические усилия, которым подвергаются токоведущие части, могут привести к поврежениювсей электроустановки.

Тепловые перегрузки электродвигателя из-за прохождения по его обмоткам повышенных токов:

• при перегрузках рабочего механизма по технологическим причинам;
• особо тяжелых условиях пуска двигателя под нагрузкой и его застопаривании;
• при длительном понижении напряжения сети;
• обрыве провода в обмотке двигателя или выпадении одной из фаз внешней силовой цепи;
• механических повреждениях в двигателе или рабочем механизме;
• при ухудшении условий охлаждения двигателя.

В первую очередь тепловые перегрузки вызывают ускоренное старение и разрушение изоляции двигателя; это приводит к коротким замыканиям, то есть к преждевременному выходу двигателя из строя.

3.2 Обзор имеющихся технических решений

Схемоэлементы для максимальной токовой защиты. При различных режимах работы электросхемы возможны различные внештатные ситуации, которые могут привeсти к замыканию элeктричeских цeпeй. Также можно выделить отдельно ситуации, связанные с обрывом фаз питающего напряжения, резким снижением тока возбуждения двигателей постоянного тока или стопорением движения исполнительного органа двигателя. Данные ситуации проводят к резкому скачку тока до сверхдопустимых значений.

Именно в таких случаях сверхтоков предусматривается максимальная токовая защита (МТЗ). Средствами реализации МТЗ служат плавкие прeдохранитeли, реле максимальнoгo тoка и aвтоматическиe выключатeли. Плавкие предохранители FU включаются в каждую линию (фазу) питающей двигатель сети между выключателем QF напряжения сети и контактами линейного контактора КМ, а также могут включаться в цепь управления [2, 3]. На рисунке 2 приведены схемы реализации МТЗ с помощью подключения реле в схему [4].

Выбор плавкой вставки предохранителей основан на расчете и выборе их для устойчивой работы по отношению к величине пускового тока в электросхемах средней и большой мощности. Катушки этих реле FA1 и FA2 между выключателем QF и линейным контактором КМ (рис. 2а). Размыкающие контакты этих реле включены в цепь катушки КМ линейного контактора (рис. 1б). При возникновении сверхтоков в контролируемых цепях выше уставок реле FA1 и FA2 они размыкаются, и двигатель отключается от сети [7].

Технические решения по защите предусматривают определённое время срабатывания, в течение которого будет поддерживаться ток (и соответствующая тепловая перегрузка) аварийного силового присоединения. Учитывая опасность взрыва метано-воздушной смеси в условиях шахты от воспламенения в месте возникновения короткого замыкания, принципиально важной составляющей защитной функции следует считать предотвращение открытого искро – и дугообразования, способного вызвать этот взрыв. Ускорение выявления режима короткого замыкания может быть достигнуто на основе измерения скорости изменения тока в контролируемой сети. Реализация этого принципа может быть выполнена по-разному, как путём непосредственного определения скорости нарастания тока в сети и сравнения этого параметра с контролируемой величиной, так и косвенно. Примером реализации функции контроля скорости нарастания тока в сети является схема быстродействующей токовой защиты БМЗ, где предусмотрена реакция стабилитрона VD7 на величину падения напряжения (что является функцией скорости нарастания тока сети) на резисторе R1 нагрузки мостового выпрямителя VD1-VD6 (рис. 3).

В другом случае процесс повышения тока в трёхфазной сети может быть выявлен путём определения смещения момента совпадения мгновенных значений токов смежных фаз (i_A и i_B, в соответствии с рис. 4). Диаграмма электрических параметров указывает на наличие перемещения во времени этой точки в процессе увеличения тока трёхфазной сети (временнoй интервал ΔТ преобразуется в импульс напряжения U₁ пропорциональной амплитуды, которая сравнивается с опорным напряжением U_оп). Итак, аварийное состояние сети может быть выявлено ранее, чем ток достигнет амплитудного уровня или действующего значения [2].

4. Математическое описание модели исследуемого объекта

При построении реальных систем электропривода переменного тока в системы управления включают преобразователи фаз 3/2 и 2/3 [5]. Первый (3/2) –осуществляет преобразование трехфазных напряжений U_A, U_B, U_C в двухфазные U_a, U_b, в соответствии с выражениями:

где а – оператор поворота;

После преобразования уравнения получим:

Обобщенная система уравнений для описания асинхронной двигателя с короткозамкнутым ротором имеет вид:

Имитационная модель асинхронного двигателя с активной нагрузкой в Matlab Simulink показана на рисунке 5 [6].

Силовой канал реализован с помощью виртуальных блоков специализированного пакета расширения SimPowerSystem, а управляющий и информационный каналы построены на основе блоков основного пакета Simulink. Модель МТЗ содержит источник питания, блок преобразователя (3/2), блок электрической машины, блок преобразователя (2/3), измерительные блоки. Имитационная схема максимально-токовой защиты асинхронного двигателя представлена на рисунке 6. Для построения графиков переходных процессов использован блок Scope.

Алгоритм работы модели указан на рисунке 7.

Выводы

В данной работе:

• рассмотрены защиты шахтных участковых сетей от токов короткого замыкания;
• продемонстрирован процесс короткого замыкания с помощью вычислительного пакета MathCAD;
• определены значимые факторы воздействия на величину токов короткого замыкания;
• введены рациональные допущения;
• cоставлена математическая модель, схема компьютерной модели, что позволило произвести соответствующее исследование и получить соответствующие данные о процессе короткого замыкания.

Таким образом в результате математического моделирования получен переходный процесс возникновения короткого замыкания в электрической сети. Разработанная математическая модель будет использована в адаптивной системе электроснабжения.

При написании данного реферата магистерская работа еще не завершена. Окончательное завершение: июнь 2021 года. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.

Список источников

1. Я. С. Риман Защита шахтных участковых сетей от токов короткого замыкания. – М., Недра, 1985г., 88 стр.
2. К. Н. Маренич, И. В. Ковалёва Автоматическая защита электрооборудования шахт от аварийных и опасных состояний: уч. пособ. для высш. учебн. заведений / К. Н. Маренич, И. В. Ковалёва. – Донецк: ООО Технопарк ДонГТУ «УНИТЕХ, 2015. – 214 с.
3. Б. Н. Ванеев Справочник энергетика угольной шахты. – Донецк: ООО Юго-Восток, Лтд, 2001 г. – Т .2,: (Гл. 22-44). – 447 с. В 2 т.
4. А. В. Андреев Релейная защита и автоматика систем электроснабжения: Учебник для вузов – 4-е изд.перераб. и доп. – М.: Высш.шк., 2006 – 639 с.
5. Б. В. Терехин Моделирование систем электропривода в Simulink (Matlab 7.0.1): учебное пособие. - Томск: Изд-во ТПУ, 2010. - 290с.
6. Rolf Iserman, Fault-tolerant. Drive-by-Wire Systems. IEEE Control Systems Magazine. October 2002.
7. А. И. Белошистов  Проблемы защиты от утечек тока на землю распределительных сетей угольных шахт, содержащих силовые полупроводниковые элементы // Белошистов А.И., Савицкий В.Н. Взрывозащищенное электрооборудование: Сб. науч. тр. УкрНИИВЭ. – Донецк: ООО Юго-Восток, Лтд, 2004. – С. 78-83.