Реферат по теме выпускной работы
Содержание
- Введение
- 1. Актуальность темы
- 2. Цель и задачи исследования
- 3. Анализ предыдущих исследований
- 4. Материал и результаты исследования
- Выводы
- Список источников
Введение
Наиболее распространенный вид электрооборудования—трехфазные асинхронные электродвигатели. 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 конструкия 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 повышеное внимание разработке, производству и установке релейной защиты и автоматике, выполненной на микропроцессорной базе.
Считается, что нормальный срок службы асинхронного электродвигателя—15 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. Именно для этого появилась необходимость в устройствах защиты и мониторинга состояния асинхронных электродвигателей.
Современные стандарты большинства стран мира, в том числе и Украины, 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
Основным типом приводных механизмов являются трехфазные асинхронные электродвигателис короткозамкнутым ротором. Их доля около 95% от общего числа электроприводов. К числу их достоинств можно отнести простоту конструкции и надежность эксплуатации, однако, нередки случаи поломки электродвигателей. Около половины всех аварий связана с недостаточным совершенством существующих устройств релейной защиты и автоматики, которые не могут обеспечить необходимый уровень качества защиты исполнительного механизма. Особенно это выделяется при режимах перегрева обмоток двигателей. В связи с этим, актуальность разработки более совершенных защит очевидна.
2. Цель и задачи исследования
Данная работа посвящена совершенствованию тепловой защиты короткозамкнутого ротора асинхронного электродвигателя на основе контроля параметров текущего режима (мгновенные значения фазных токов, фазных напряжений и скольжения), пригодной для корректной работы при несимметрии питающего напряжения.
Основные задачи исследования:
- С помощью математической модели провести исследование различных режимов работы асинхронного двигателя с контролем температуры обмоток статора и ротора.
- Разработка принципов действия и алгоритмов более совершенных защит.
- Проверка с помощью математической модели эффективности алгоритмов защиты.
3. Анализ предыдущих исследований.
В настоящее время микропроцессорным устройствам релейной защиты и автоматики уделяют достаточно много внимания. В выпускаемых терминалах в основном используется стандартная защитная логика, рекомендуемая ПУЭ [1]. Однако применительно к АЭД, она не обеспечивает надёжную защиту при повреждении стержней короткозамкнутого ротора, при перегреве обмоток статора и ротора, вызванных несимметрией питающего напряжения, при неисправностях в системе охлаждения и технологических перегрузках, при несимметрии воздушного зазора, вызванного выработкой подшипников, при заклинивании ротора, при перегревах от гармоник, вызванных тиристорными преобразователями частоты. Также имеет место низкая чувствительность при замыканиях на землю внутри обмотки статора.
В качестве защиты от перегрузки АЭД в большинстве современных микропроцессорных защитных устройствах или терминалах используется интегральная зависимость тока статора в функции времени [2]. Используемая интегральная зависимость тока статора в функции времени не позволяет контролировать температуру нагрева обмоток статора и ротора АЭД, а также отключать машину в случае перегрева обмоток, вызванного, например, многократными пусками подряд.
Микропроцессорные устройства, основанные на применении псевдотепловой модели, также нечувствительные при несимметрии питающего напряжения, вызванного неравномерной нагрузкой фаз сети или обрывом фазы через переходное сопротивление [3]. Дополнение этих защит сигналами от тепловых датчиков или термодатчиков (ТД), встраиваемых в обмотку, не устраняют недостатки из-за их инерционности.
Главным недостатком защит, выпускаемых ведущими предприятиями, является отсутствие контроля температуры нагрева обмотки короткозамкнутого ротора. Известны факты того, что в режиме работы (S4) температура стержней ротора может достигать температуры плавления с обмоткой ротора, выполненной из алюминия [4]. Оплавление стержней обмотки ротора АЭД обусловлено невозможностью существующих защит своевременно выявлять и устранять такой вид повреждений.
Прямой контроль температуры нагрева обмотки ротора с использованием ТД затруднителен и дорогостоящий в виду сложностей их установки, а также съёма сигнала в процессе вращения вала двигателя. Именно поэтому наибольшее распространение получили алгоритмы косвенного определения температуры ротора. К таким алгоритмам относятся:
- Защиты, основанные на псевдотепловых моделях с использованием тепловых схем замещения АЭД и сигналов ТД, позволяющие рассчитывать температуру нагрева элементов машины (обмотка статора, ротора, корпус) зная величину тока статора [5]. К недостаткам таких защит следует отнести сложности, связанные с определением параметров тепловых схем замещения, а также их корректировкой в процессе работы, что отражается на погрешности и адекватной работе защиты. Также следует отметить факт отсутствия учёта неисправностей в системе охлаждения АЭД в тепловой модели, что отражается на бездействии или замедленной реакции защиты при таких видах повреждений.
- Защиты, рассмотренные в [6,7], предназначены для контроля температуры нагрева ротора, выполненного со стержнями, в которых отсутствует эффект вытеснения тока. Подход [6] основан на решении уравнения теплового баланса по данным вычисления электромагнитного момента на основе измерения фазных токов и напряжений статора, а в [7] основанный на измерении тех же величин и дополнительного контроля угловой частоты вращения ротора. Ключевым недостатком тепловой защиты [6], является большая погрешность в определении температуры нагрева обмотки ротора в виду косвенного вычисления скольжения. Недостатками двух подходов является отсутствие учёта эффекта вытеснения тока в роторе, а следовательно невозможность их использования на машинах мощностью 200 кВт и выше напряжением статора 6 или 10 кВ.
Наиболее перспективным является подход [8], основанный на косвенном определении температуры нагрева ротора по данным измерений параметров текущего режима (мгновенные значения фазных токов, фазных напряжений и скольжения). Метод пригоден для глубокопазных электродвигателей в виду учёта влияния эффекта вытеснения тока в роторе на его сопротивления. Однако вопросы, связанные с корректной работой данного алгоритма защиты в несимметричных режимах, требуют дополнительного рассмотрения.
4. Материал и результаты исследования
Блок цифровой фильтрации выполняется на основе выделения первой гармоники с использованием фильтра Фурье.
Активная и реактивная составляющие фильтруемой величины Х рассчитываются по (1) и (2) в зависимости от количества измеренных значений N за период T.
где N – количество точек замеров, направляемых на фильтрацию; Х – значение фильтруемой величины (фазный ток или напряжение).Таким образом, 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. Формируемый массив рассчитанных величин направляется на вход блока вычислений с дискретностью шага расчёта h = T/N.
Защита короткозамкнутой обмотки ротора от тепловой перегрузки (ТЗР) является ключевой авторской разработкой и дополняет стандартные модернизированные защиты асинхронной машины. Выполняется на основе контроля величины температуры нагрева короткозамкнутой обмотки ротора АЭД. Расчёт температуры нагрева производится в реальном времени на основе определения активного сопротивления ротора и его сравнения с известным значением холодного состояния.
Вычисление температуры нагрева ротора основывается на использовании схемы замещения АЭД с двумя роторными контурами (для учёта скин-эффекта) и контуром потерь в стали (см. Рис.3.).
В процесс наладки разработанной защиты входят предварительные операции. К ним относятся:
- проведение опытов холостого хода и короткого замыкания, подачи на статор трёхфазного напряжения различной частоты при неподвижной машине, измерение начальной температуры холодного состояния [9];
- определение по данным опытов сопротивлений обмоток статора (RS, XσS), контура потерь в стали (RFE, XσFE), сопротивления взаимоиндукции (Xµ), сопротивлений двух контуров ротора (RR1, XσR1, RR2, XσR2).
Результаты предварительных операций (параметры схемы замещения, каталожные данные асинхронного электродвигателя) заносятся в блок констант для последующего использования в процессе необходимых вычислений.
Операции, производимые в реальном времени за один рабочий такт:
- измерение фазных токов (ia, ib, ic) и напряжений (ua, ub, uc);
- вычисление скольжения s на основе замера с помощью ДПР угла положения ротора γ;
- измерение температуры нагрева обмотки статора TS с помощью ТД;
- Фильтрация измеренных фазных токов и напряжений в блоке цифровой фильтрации;
- Вычисление результирующего активного сопротивления ротора RRисх(s) зависящего от текущего значения скольжения s.
- Определение фазных величин входных активного (RBX.A,RBX.B,RBX.C) и индуктивного (XBX.A,XBX.B,XBX.C) сопротивлений АЭД.
где IA, UA, – активные составляющие фазного тока и напряжения рассчитываемые; IP, UP, – реактивные составляющие фазного тока и напряжения рассчитываемые.
- Корректирование активного сопротивления обмотки статора АЭД:
- Вычисление текущего значения температуры нагрева 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 АЭД. По истечении выдержки времени производится автоматическое отключение электродвигателя от питающей сети.
Пример моделирования работы тепловой защиты АЭД с короткозамкнутым ротором произведён для двигателя серии АВ, мощностью 630 кВт и напряжением статора 6 кВ.
Результаты математического моделирования процесса наброса нагрузки показаны на Рис.2 в виде осциллограмм тока фазы А АЭД, угловой частоты вращения, температуры нагрева ротора и сигнала срабатывания ТЗР от времени.
