У роботі розглянуті математичне моделювання цифрового релейного захисту та автоматики асинхронного електродвигуна з короткозамкненим ротором. Запропонований алгоритм захисту від теплового перевантаження обмоток ротора і статора машини. Методика вимірювання температури нагріву ротора заснована на обчисленні в темпі реального часу активного опору ротора і його порівнянні з відомим значенням в холодному стані.
Асинхронні електродвигуни [АЕД] з короткозамкненим ротором є основним видом електропривода машин і механізмів на промислових підприємствах, у системі власних потреб теплових і атомних електростанцій і споживають понад половину всієї вироблюваної електроенергії. Однак відсоток пошкоджує асинхронних машин досить високий і складає близько 20-25% на рік від загального числа знаходяться в експлуатації. В даний час багато підприємств, що виробляють і розробляють пристрої релейного захисту та автоматики, приділяють досить багато уваги мікропроцесорним терміналів та реле. Однак, в більшості сучасних мікропроцесорних платформ захисту двигунів, необхідні ПУЕ[1], перенесені на нову елементну базу з мінімальними змінами та уточненнями без урахування їх розширених можливостей. Стандартні захисту не забезпечують коректне спрацьовування в ряді аварійних ситуацій і анормальних режимів роботи (перегрів обмоток статора і ротора внаслідок несправності системи охолодження, несиметрії напруги живлення, технологічних перевантажень і.т.д.). Одним із шляхів зниження витрат на ремонтні роботи є розробка нових алгоритмів пристроїв релейного захисту та автоматики АЕД з короткозамкненим ротором. Виходячи з вищевикладеного, можна зробити висновок, що дана проблема актуальна.
Відомі захисти від теплового перевантаження АЕД, засновані на використанні інтегральної залежності струму статора в функції часу [2,3]. Даний захист реалізован в більшості сучасних терміналів таких як REM-545 (концерн АББ; Швеція), Sepam 1000 + M20 (Schneider Electric, Франція); узб-301 (ТОВ «Novatek-Electro, Російська Федерація). На Україні мікропроцесорні термінали, що включають вищезгадану захист від перевантаження АЕД, випускає ВАТ «ЕЛЕКТРОТЕХНІЧНИЙ ЗАВОД РелСіС» (РДЦ-01) [4]. Однак цим способам властиві недоліки з-за відсутності контролю температури нагрівання обмоток статора і ротора. До інших підходів реалізації теплової захисту ротора слід віднести захист від теплового перегріву статора і ротора АЕД, що базується на основі непрямого визначення температури нагрівання короткозамкнутого ротора [5]. Захист заснована на безперервному вимірі миттєвих значень фазних струмів і напруг, подальших обчислень потокозчеплення та їх похідних, швидкості обертання ротора і температури нагріву обмоток статора і ротора, при перевищенні допустимих значень проводиться відключення двигуна від живильної мережі. До недоліків такого підходу можна віднести те, що температура нагрівання ротора визначається з великою похибкою через непряме визначення ковзання на основі каталожного значення активного опору ротора. У цьому випадку захист забезпечується тільки для АЕД невеликої потужності (потужність до 200 кВт), в яких відсутній ефект витіснення струму в роторі (скін-ефект), а також при допущенні, що у формулі для обчислення швидкості обертання використовується каталожні значення активного опору ротора. Застосування даного захисного алгоритму некоректно для АЕД з глубокопазним ротором або ротором з подвійною білячою клітиною (потужність понад 200 кВт), в яких опори ротора залежать окрім температури нагрівання й від явища ефекту витіснення струму.
Мета роботи: є розробка мікропроцесорного захисту асинхронних двигунів власних потреб електростанцій на основі визначення активного опору ротора АЕД.
-Створення програми на основі математичного алгоритму захисту асинхронного двигуна власних потреб.
-Створення інтерфейсу програми.
-Проведення випробувань на реальних моделях.
Теоретичні дослідження базуються на основних положеннях теорії електротехніки та режимів роботи електроустановок. Практичні дослідження базуються на отриманих даних у результаті досліджень на лабораторних установках.
Новизною в даній роботі вважається те, що обчислення температури нагріву виробляється в темпі реального часу шляхом розрахунку активного опору ротора і його порівняння з відомим значенням в холодному стані.
Даний мікропроцесорний захист може бути використан на будь-яких підприємствах, де використовуються асинхронні електродвигуни, з великим успіхом, тому що він забезпечує більшу ступінь надійності роботи електродвигунів, а також запобігає їх руйнування при аваріях в мережі.
1.Сівокобиленко В.Ф., Лебедєв В.К. Перехідні процеси в системах електропостачання власних потреб електростанцій. Уч. посібник, Донецьк, ДонНТУ, 2002. - 136 с.
2. Сивокобиленко В.Ф., Ткаченко С.М. Моделювання мікропроцесорної теплового захисту асинхронного електродвигуна. м. Донецьк, ДВНЗ «ДонНТУ»
1. ТОВ 'Семіолі'. Мікропроцесорна система діагностики асинхронних машин
2. Алєксєєв Є Р. "Тепловий стан асинхронних двигунів в умовах нестабільної напруги живлення"
3. Онищенко Г.Б., Аксьонов М.І., Гріхів В.П., Зарицький М.М., Купріков А.В., Нітіевская А.І. Автоматизований електропривод промислових установок
1.Данілов І. А., Іванов П. М. Загальна електротехніка з основами електроніки. - М.: Вища школа, 2000.
2. Паначевний Б. І. Курс електротехніки. - Харків, Торгсінг; Ростов-на-Дону, Фенікс, 2002.
До складу розробляємого захисту АЕД входять стандартні захисти, необхідні ПУЕ [1] (струмова відсічка від міжфазних коротких замикань, захист від замикання на землю, захист від перевантаження струмом статора, захист мінімальної напруги), преведені в цифровий вигляд. Основна увага приділена розробці захисту від перегріву статора і ротора або теплової захисту АЕД на основі непрямого визначення температури нагрівання обмотки ротора. Обчислення температури нагріву виробляється в темпі реального часу шляхом розрахунку активного опору ротора і його порівняння з відомим значенням в холодному стані.
Алгоритм теплового захисту складається з наступних основних блоків:
• Блок вимірювань;
• Блок цифрової фільтрації;
• Блок обчислень;
• Блок уставок.
Структурна схема алгоритму теплового захисту показана на анімації 1.
На вхід блоку вимірювань для потреб алгоритму теплового захисту безперервно надходять сигнали фазних струмів (ia, ib, ic) і напруг (ua, ub, uc), ковзання s, температури нагріву обмоток статора TS. Аналогові величини за допомогою АЦП перетворюються в цифровий вигляд. Далі величини фазних струмів і напруг надходять в блок цифрової фільтрації, заснованому на цифровому фільтрі Фур'є, в якому проводиться виділення першої гармоніки [6].
Обчислення температури нагріву ротора грунтується на використанні схеми заміщення АЕД з урахуванням ефекту витіснення струму в роторі (див. рисунок 2).
У блоці обчислень виробляються наступні операції:
• Попередні операції:
• Проведення дослідів холостого ходу і короткого замикання, подачі на статор трифазної напруги різної частоти при нерухомій машині, вимірювання початкової температури холодного стану [7];
• Визначення за даними дослідів опорів обмоток статора (RS, XS), гілки намагнічування (R?, X?) і функціональних залежностей опору ротора RRісх (s) (див. рисунок 2) Від ковзання при відомій початковій температурі холодного стану TRнач);
Результати попередніх операцій заносяться до блоку констант, що знаходиться в блоці обчислень, і використовуються в процесі обчислень у масштабі реального часу.
• Операції, вироблені в темпі реального часу:
• Вимірювання фазних струмів (ia, ib, ic) і напруг (ua, ub, uc);
• Вимірювання ковзання s датчиком положення ротора (ДПР), встановленим на валу двигуна;
• Вимірювання температури нагріву обмотки статора TS; термодатчиком (ТД), встановленим в обмотці статора двигуна;
• Обчислення модулів струму статора і напруги статора:
• Обчислення узагальненого вектора струму статора та узагальненого вектора напруги статора:
де
де i, u - миттєві значення струму і напруги відповідної фази;
• Обчислення вхідних опорів АЕД:
• Коригування активного опору обмотки статора АЕД:
де ? - температурний коефіцієнт провідника обмотки статора, 1/0С, TS - поточне значення температури обмоток статора, що вимірюється термодатчиками, 0С;
• Обчислення опорів та провідностей ротора і гілки намагнічування:
• Обчислення провідностей ротора:
• Обчислення активного опору ротора АЕД:
• Обчислення температури ротора АЕД:
Після обчислення температури ротора асинхронної машини в блоці обчислень, розраховане значення порівнюється з уставкою спрацьовування теплового захисту в блоці уставок. У разі перевищення температурної уставки захист спрацьовує, запускаючи витримку часу і світлозвукову сигналізацію перегріву обмотки ротора. Після закінчення витримки часу виробляють відключення електродвигуна від живильної мережі.
Приклад моделювання теплового захисту АЕД зроблений для двигуна серії АВ, потужністю 630 кВт і напругою статора 6 кВ. Каталожні дані машини представлені в таблиці 1.
Таблиця 1
Розраховані параметри схеми заміщення для номінального ковзання і температури 750С наведені в таблиці 2. Для моделювання використовувалися методи математичного моделювання асинхронних електродвигунів, викладені у [8]. Як приклад був промоделювати режим затяжного пуску двигуна.
У роботі проведено аналіз алгоритму мікропроцесорного теплового захисту асинхронного електродвигуна з короткозамкненим ротором. Запропоновано удосконалений алгоритм теплового захисту асинхронного електродвигуна з короткозамкненим ротором, заснований на непрямого розрахунку температури нагріву ротора. Обчислення температури нагріву виробляється в темпі реального часу шляхом розрахунку активного опору ротора і його порівняння з відомим значенням в холодному стані на основі вимірювання величин фазних струмів і напруг, ковзання і температури нагріву обмотки статора. Вказаний алгоритм реалізований у вигляді програми, в яку входить АЕД і зазначений захист. Досліджена робота алгоритму в різних режимах для різних типів АЕД з різним проявом явища ефекту витіснення струму в роторі. Порівняння даних отриманих в лабораторних умовах і з допомогою математичної моделі підтверджують доцільність розробленого алгоритму для захисту АЕД з короткозамкненим ротором, що знаходяться в експлуатації.
При написанні даного автореферату кваліфікаційна робота магістра ще не завершена. Дата закінчення завершення роботи: 01.12.2010. Повний текст роботи та матеріали по темі можуть побут отримані у автора або його наукового керівника після вказаної дати.
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. Соркинд М.А. Асинхронные электродвигатели 0,4 кВ. Способы защиты от аварийных режимов. Новости электротехники, 2005, №4(34).
4. Официальный сайт ОАО «Електротехнічний завод РелСіС».
5. Патент Украины № 69523 А, МПК 7 Н02Р 5/04, опубл.15.09.2004.
6. Сергиенко А.Б. Цифровая обработка сигналов: Учебник для вузов. 2-е изд. – СПб.: Питер,2006. – 751 с.: ил.
Сергиенко А.Б. Цифровая обработка сигналов
7. ГОСТ 7217-87. Межгосударственный стандарт. Машины электрические вращающиеся. Двигатели асинхронные. Методы испытаний . 2003. - 38 с.
8. Сивокобыленко В.Ф., Лебедев В.К. Переходные процессы в системах электроснабжения собственных нужд электростанций. Уч. пособие, Донецк, ДонНТУ, 2002. – 136 с.
http://masters.donntu.ru/2005/eltf/samarsky/library/st1/st1.htm
9. Способы защиты электродвигателей на примере РКЗ
10. Тепловая защита