Федорова Е.В. - Совершенствование тепловой защиты асинхронного электродвигателя

Автор: Федорова Е.В.
Источник: Материалы научно-технической конференции - Донецк, ДонНТУ - 2014

Аннотация

Федорова Е.В. Совершенствование тепловой защиты асинхронного электродвигателя Статья посвящена математическому моделированию цифровой релейной защиты и автоматики асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором. Вводится алгоритм защиты от перегрева обмоток статора и ротора. Метод измерения основан на расчете реального времени активного сопротивления ротора согласно сравнению расчетного к известному значению сопротивления ротора в холодном состоянии.

Общая постановка проблемы

На электрических станциях приводом механизмов собственных нужд (вентиляторы, дымососы, мельницы, сетевые насосы; мазутные насосы; конденсатные насосы), являются асинхронные двигатели (АД) с короткозамкнутым ротором различного исполнения с прямым пуском. Повреждаемость, которых по статистике в среднем составляет до 25-35% в год от общего количества находящихся в эксплуатации АД. Целью усовершенствования релейной защиты и автоматики двигателей является снижение повреждаемости [1,2].

Выход из строя асинхронного двигателя, участвующего в технологическом процессе, может привести к тяжелым авариям и большим материальным затратам на восстановление, также будет увеличиваться рост потребления реактивной мощности. Совершенно очевидна необходимость совершенствование релейной защиты и автоматики (РЗиА), которое позволит сократить повреждаемость и срок службы АД.

Суть работы

В настоящее время в основном все производственные энергетические объекты стараются переходить на микропроцессорную защиту, которая более эффективна и надежна. Стандартные защиты АД должным образом не обеспечивают требуемую чувствительность в большинстве аварийных ситуаций. Также следует выделить несимметричные режимы двигателя, ведущие к повышению температуры, такие как несимметрия питающего напряжения, обрыв одной из фаз статора, обрыв стержней короткозамкнутой беличьей клетки ротора [2,3].

Рисунок 1 – Структурная схема микропроцессорного терминала РЗиА АД

Наиболее оптимальным вариантом совершенствования защит АД с короткозамкнутым ротором является разработка новых алгоритмов защиты, которые будут способны использовать цифровую элементную базу в полной мере.

Был разработан цифровой терминал защиты, структурная схема которого показана на Рис.1, и математическая модель.

Терминал релейной защиты АД включает в себя следующие основные блоки:

блок измерений;

блок цифровой фильтрации;

блок вычислений;

блок уставок;

блок констант;

Блок измерений служит для преобразования аналоговых величин в цифровой код и представляет собой группу АЦП и дискретных входов (ДВ). Для необходимых вычислений, требующихся цифровой защитной логике, в реальном времени производятся непрерывно-дискретные измерения мгновенных значений фазных токов (i_a, i_b, i_c) и напряжений (u_a, u_b, u_c), тока и напряжения нулевой последовательности (3I₀ и 3U₀), угла поворота ротора и температуры нагрева обмоток статора TS. Сигналы фазных токов и напряжений поступают от соответствующих измерительных трансформаторов тока (TA) и напряжения (TV). Сигналы о положении ротора поступают соответственно от датчика положения ротора (ДПР), устанавливаемого на валу двигателя. Датчик температуры (ТД) служит для измерения температуры нагрева обмотки статора [2].

Блок цифровой фильтрации выполняется на основе выделения первой гармоники с использованием фильтра Фурье [2]. В блоке цифровой фильтрации вычисляются в реальном времени активные и реактивные составляющие фазных напряжений и токов, амплитудные и эффективные (действующие) значения фазных напряжений и токов.

Блок вычислений представляет собой расчётный модуль микропроцессорного терминала, в котором заложены алгоритмы релейной защиты и автоматики АД в цифровом виде.

Блок вычислений включает в себя следующие защиты:

токовая отсечка мгновенного действия;
защита от перегрузки током статора;
защита от замыкания на землю в обмотке статора;
защита от несимметрии питающего напряжения (защита обратной последовательности);
защита от многократных пусков;
защита минимального напряжения (защита от потери питания);
защита короткозамкнутой обмотки ротора от тепловой перегрузки.

Выводы

В данной работе было проведено усовершенствование алгоритмов защиты от тепловых перегрузок обмоток статора и короткозамкнутого ротора двигателя 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. Предлагаемый алгоритм реализован в виде математической модели в пакетах Mathcad и MatLAB, в которую входит АД и указанная защита. Переход на микропроцессорный терминал поможет снизить частоту повреждаемости асинхронных машин.

Список использованной литературы

1. Корогодский В.И. Релейная защита электродвигателей напряжением выше 1 кВ / Кужеков С.Л., Паперно Л.Б. – М.: Энергоатомиздат, 1987. – 248 с.
2. Сивокобыленко В.Ф. Микропроцессорная защита от тепловой перегрузки асинхронного электродвигателя / Сивокобыленко В.Ф., Ткаченко С.Н. // Науково-прикладний журнал «Технічна електродинаміка». Тематичний випуск «Проблеми сучасної енергетики». Інститут електродинаміки, Національна академія наук України. – Частина 1. – Київ, 2008. – С. 47 – 52.
3. Копылов И. П. и Клоков Б. К.. Справочник по электрическим машинам:— М.: Энергоатомиздат, 1988.—456 с: ил.