Сборник статей Донецкого национального технического университета,Электротехника и энергетика
УДК 621.313.32
В.Ф. Сивокобыденко. С.Н. Ткаченко ГВУЗ "Донецкий национальный технический университет"
Разработка математической модели микропроцессорной тепловой защиты асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором на основе определения активного сопротивления ротора АЭД.
Асинхронные электродвигатели [АЭД] с короткозамкнутым ротором являются основным видом электропривода машин и механизмов на промышленных предприятиях, в системе собственных нужд тепловых и атомных электростанций и потребляют свыше половины всей вырабатываемой электроэнергии. Однако процент повреждаемых асинхронных машин довольно высок и составляет порядка 20-25% в год от общего числа находящихся в эксплуатации. В настоящее время многие предприятия, производящие и разрабатывающие устройства релейной защиты и автоматики, уделяют достаточно много внимания микропроцессорным терминалам и реле. Однако, в большинстве современных микропроцессорных платформ защиты двигателей, требуемые ПУЭ [1], перенесены на новую элементную базу с минимальными изменениями и уточнениями без учёта их расширенных возможностей. Стандартные защиты не обеспечивают корректное срабатывание в ряде аварийных ситуаций и анормальных режимов работы (перегрев обмоток статора и ротора вследствие неисправности системы охлаждения, несимметрии питающего напряжения, технологических перегрузок и.т.д.). Одним из путей снижения затрат на ремонтные работы является разработка новых алгоритмов устройств релейной защиты и автоматики АЭД с короткозамкнутым ротором. Исходя из вышеизложенного, можно сделать вывод, что данная проблема актуальна.
Известны защиты от тепловой перегрузки АЭД, основанные на использовании интегральной зависимости тока статора в функции времени [2,3]. Данная защита реализована в большинстве современных терминалов таких как REM-545 (концерн АББ; Швеция), Sepam 1000+ M20 (Schneider Electric, Франция); УЗБ-301 (ООО «Novatek-Electro, Российская Федерация). На Украине микропроцессорные терминалы, включающие вышеупомянутую защиту от перегрузки АЭД, выпускает ОАО «Електротехнічний завод РелСіС» (РДЦ-01) [4]. Однако этим способам присущи недостатки из-за отсутствии контроля температуры нагрева обмоток статора и ротора. К другим подходам реализации тепловой защиты ротора следует отнести защиту от теплового перегрева статора и ротора АЭД, базирующуюся на основе косвенного определения температуры нагрева короткозамкнутого ротора [5]. Защита основана на непрерывном измерении мгновенных значений фазных токов и напряжений, последующих вычислений потокосцеплений и их производных, скорости вращения ротора и температуры нагрева обмоток статора и ротора, при превышении допустимых значений производится отключение двигателя от питающей сети. К недостаткам такого подхода можно отнести то, что температура нагрева ротора определяется с большой погрешностью из-за косвенного определения скольжения на основе каталожного значения активного сопротивления ротора. В этом случае защита обеспечивается только для АЭД небольшой мощности (мощность до 200 кВт), в которых отсутствует эффект вытеснения тока в роторе (скин-эффект), а также при допущении, что в формуле для вычисления скорости вращения используется каталожное значение активного сопротивления ротора. Применение данного защитного алгоритма некорректно для АЭД с глубокопазным ротором или ротором с двойной беличьей клеткой (мощность свыше 200 кВт), в которых сопротивления ротора зависят кроме температуры нагрева и от явления эффекта вытеснения тока.
Из вышеизложенного материала можно сделать вывод о том, что современная база устройств релейной защиты и автоматики, основывающаяся на последних достижениях микропроцессорной индустрии, использует свой потенциал не полностью. Одним из вариантов совершенствования защиты АЭД с короткозамкнутым ротором является создание алгоритмов защитной логики, которые будут в состоянии задействовать современную цифровую платформу в полной мере.
Общеизвестным фактором срока службы АЭД является состояние изоляции обмоток. Ухудшению изоляции способствуют анормальные и аварийные режимы работы машины, которые приводят к увеличению температуры нагрева выше допустимых значений, приводящих к выходу машины из строя. Трудность установки датчиков температуры в обмотке короткозамкнутого ротора для точного измерения температуры нагрева препятствует созданию более надёжной и совершенной защиты от теплового перегрева обмоток статора и ротора АЭД.
В состав разрабатываемой защиты АЭД входят стандартные защиты, требуемые ПУЭ [1] (токовая отсечка от междуфазных коротких замыканий, защита от замыкания на землю, защита от перегрузки током статора, защита минимального напряжения), переведенные в цифровой вид. Основное внимание уделено разработке защиты от перегрева статора и ротора или тепловой защите АЭД на основе косвенного определения температуры нагрева обмотки ротора. Вычисление температуры нагрева производится в темпе реального времени путём расчёта активного сопротивления ротора и его сравнения с известным значением в холодном состоянии.
Алгоритм тепловой защиты состоит из следующих основных блоков:
• блок измерений;
• блок цифровой фильтрации;
• блок вычислений;
• блок уставок.
Структурная схема алгоритма тепловой защиты показана на рис.1.
На вход блока измерений для нужд алгоритма тепловой защиты непрерывно поступают сигналы фазных токов (ia, ib, ic) и напряжений (ua, ub, uc), скольжения s, температуры нагрева обмоток статора TS. Аналоговые величины с помощью АЦП преобразуются в цифровой вид. Далее величины фазных токов и напряжений поступают в блок цифровой фильтрации, основанном на цифровом фильтре Фурье, в котором производится выделение первой гармоники [6].
Рис.1. Структурная схема алгоритма тепловой защиты АЭД
Вычисление температуры нагрева ротора основывается на использовании схемы замещения АЭД с учётом эффекта вытеснения тока в роторе (см. Рис.2.).
Рис.2. Схема замещения АЭД с короткозамкнутым ротором
В блоке вычислений производятся следующие операции:
• Предварительные операции:
• проведение опытов холостого хода и короткого замыкания, подачи на статор трёхфазного напряжения различной частоты при неподвижной машине, измерение начальной температуры холодного состояния [7];
• определение по данным опытов сопротивлений обмоток статора (RS, XS), ветви намагничивания (Rµ, Xµ) и функциональных зависимостей сопротивления ротора RRисх(s) (см. Рис.3.) от скольжения при известной начальной температуре холодного состояния TRнач);
Результаты предварительных операций заносятся в блок констант, находящийся в блоке вычислений, и используются в процессе вычислений в масштабе реального времени.
• Операции, производимые в темпе реального времени:
• Измерение фазных токов (ia, ib, ic) и напряжений (ua, ub, uc);
• Измерение скольжения s датчиком положения ротора (ДПР), установленным на валу двигателя;
• Измерение температуры нагрева обмотки статора TS; термодатчиком (ТД), установленным в обмотке статора двигателя;
Рис.3. Функция активного сопротивления ротора от скольжения RRисх(s) для начальной температуры холодного состояния TRнач
• Вычисление модулей тока статора и напряжения статора:
• Вычисление обобщённого вектора тока статора и обобщённого вектора напряжения статора:
где
где i, u – мгновенные значения тока и напряжения соответствующей фазы;
• Вычисление входных сопротивлений АЭД:
• Корректирование активного сопротивления обмотки статора АЭД:
где Rs ? – температурный коэффициент проводника обмотки статора, 1/0С, TS – текущее значение температуры обмоток статора, измеряемое термодатчиками, 0С;
• Вычисление сопротивлений и проводимостей ротора и ветви намагничивания:
• Вычисление проводимостей ротора:
• Вычисление активного сопротивления ротора АЭД:
• Вычисление температуры ротора АЭД:
После вычисления температуры ротора асинхронной машины в блоке вычислений, рассчитанное значение сравнивается с уставкой срабатывания тепловой защиты в блоке уставок. В случае превышения температурной уставки защита срабатывает, запуская выдержку времени и светозвуковую сигнализацию перегрева обмотки ротора. По истечении выдержки времени производят отключение электродвигателя от питающей сети.
Пример моделирования тепловой защиты АЭД произведён для двигателя серии АВ, мощностью 630 кВт и напряжением статора 6 кВ. Каталожные данные машины представлены в таблице 1.
Таблица 1
Рассчитанные параметры схемы замещения для номинального скольжения и температуры 750С приведены в таблице 2. Для моделирования использовались методы математического моделирования асинхронных электродвигателей, изложенные в [8]. В качестве примера был промоделирован режим затяжного пуска двигателя.
Рис.4. Зависимости тока фазы А статора, температуры нагрева обмотки ротора и выходного сигнала реле от времени
Из рис.4. видно, что процесс затяжного пуска машины проходит за время в течение 1,7 секунды, вызывая увеличение температуры нагрева обмотки ротора и, следовательно, превышение уставки срабатывания тепловой защиты равной 2500С, что приведёт после срабатывания выдержки времени к отключению АЭД от питающей сети.
В работе проведен анализ алгоритма микропроцессорной тепловой защиты асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором. Предложен усовершенствованный алгоритм тепловой защиты асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором, основанный на косвенном расчёте температуры нагрева ротора. Вычисление температуры нагрева производится в темпе реального времени путём расчёта активного сопротивления ротора и его сравнения с известным значением в холодном состоянии на основе измерения величин фазных токов и напряжений, скольжения и температуры нагрева обмотки статора. Указанный алгоритм реализован в виде математической модели, в которую входит АЭД и указанная защита. Исследована работа алгоритма в различных режимах для разных типов АЭД с различным проявлением явления эффекта вытеснения тока в роторе. Сравнение данных полученных в лабораторных условиях и с помощью математической модели подтверждают целесообразность разработанного алгоритма для защиты АЭД с короткозамкнутым ротором, находящихся в эксплуатации. Алгоритм рекомендуем для усовершенствования микропроцессорного терминал релейной защиты и автоматики АЭД с короткозамкнутым ротором отечественного производителя, такого как РДЦ-01, производимого ОАО «Електротехнічний завод РелСіС».