RU   ENG

ДонНТУ   Портал магістрів

Беззуб Вадим Геннадійович

Факультет комп'ютерних інформаційних технологій і автоматики

Кафедра гірничої електротехніки і автоматики ім. Р. М. Лейбова

Спеціальність Автоматизація виробничих процесів і виробництв

Дослідження і розробка адаптивної системи захисту електрообладнання

Науковий керівник: к.т.н., Лавшонок Андрій Валерийович

Резюме Реферат

Реферат за темою випускної роботи

Зміст

• Вступ
• 1. Актуальність теми
• 2. Мета і задачі дослідження та заплановані результати
• 3. Огляд досліджень та розробок
• 3.1 Аварійні режими систем електрообладнання
• 3.2 Огляд наявних технічних рішень
• 4. Математичний опис моделі досліджуваного об'єкта
• Висновки
• Перелік посилань

Вступ

Безперервно зростаючі вимоги до електробезпеки персоналу і до економічної ефективності в усіх галузях промисловості призводять до підвищення уваги до проблем надійного захисту систем промислового обладнання, і, як наслідок, до електрозащіте двигунів. Тим самим показана актуальність представленого дослідження. Виходячи з цього, при експлуатації сучасної системи управління асинхронним двигуном повинні забезпечуватися оптимальні параметри закону управління, висока надійність і точність регулювання частоти, невисока вартість, і, на додаток до цього, максимальна економія електроенергії. Досягти необхідних технологічних параметрів дозволяють системи управління на базі мікропроцесорів. Метою магістерської дисертації є розробка систем захисту промислового обладнання, в складі якого є асинхронний двигун на базі програмованого мікроконтролера, що задовольняє сучасним високим технологічним вимогам.

Основною причиною виникнення коротких замикань в підземних електричних установках є механічні дії. Руднична електрична апаратура та електродвигуни мають механічно міцні оболонки, що захищають їх активну частину від зовнішніх впливів. У той же час в підземних виробках шахт експлуатуються багато кілометрів броніруемих і гнучких кабелів, оболонки яких мають недостатню механічну міцність. При цьому найбільшу аварійність мають гнучкі кабелі, що прокладаються безпосередньо в забоях. При пошкодженнях кабелів, крім однофазних, можливо появи міжфазних витоків, що переростають в струми коротких замикань. Крім того, струми коротких замикань можуть виникнути в результаті пошкодження кабелю обрушилася породою або пачкою вугілля, а також переміщається забійним обладнанням або транспортними засобами. У цій роботі розглянуті питання, пов'язані з теорії коротких замикань, а також змодельовано процес короткого замикання в дільничній електромережі в залежності від сукупності факторів, що впливають.

1. Актуальність теми

Рудникове електричне обладнання підпадає під вплив вологої атмосфери і вугільного пилу. В умовах експлуатації вугільний пил і волога осідає на поверхні електроізоляційних деталей електричного обладнання, в результаті чого з'являються струми витоку, які за певних умов переростають в струми короткого замикання. При періодичних нагріванні і охолодженні рудничного електричного обладнання може утворюватися роса, яка також буде створювати умови для виникнення КЗ. В результаті проведених спостережень встановлено, що відмови автоматичних вимикачів АВ через порушення ізоляції між фазами складають 17,6% від загального числа відмов.

В даний час проблема безпеки в гірській промисловості має величезне значення. В першу чергу, це стосується роботи вугільних шахт, які характеризуються такими специфічними видами небезпек, як наприклад, метанова, підвищена небезпека обвалів покрівлі і т.п. Найбільш небезпечні наслідки виявляються зазвичай в силових елементах, які примикають до місця виникнення КЗ. Якщо КЗ на значному електричному відстані від джерела живлення, то збільшення струму сприймається генераторами як деяке підвищення навантаження. Значне зниження напруги відбувається лише біля місця трифазного КЗ [ 1 ].

Говорячи про систему електрообладнання, ми розуміємо систему, в складі якої присутній двигун. Дев'яносто п'ять відсотків двигунів, які експлуатуються в усьому світі, є асинхронними. У порівнянні з іншими типами електродвигунів асинхронний має кращі параметри над? Жності, що обумовлює його широке застосування в різних сферах виробничої діяльності. Вибір електродвигунів згідно їх номінальним параметрам (номінальної потужності, режиму роботи і формі виконання) в кінцевому підсумку впливає на безперебійну роботу всієї електросистеми. Також необхідно дотримуватися необхідних вимог і правила при складанні електричної схеми, виборі пускорегулювальної апаратури, проводів і кабелів, монтажі та експлуатації схеми. Щоб забезпечити захист досліджуваного об'єкта, спочатку необхідно вивчити роботу систем електрообладнання в аварійних режимах.

Мета і задачі дослідження та заплановані результати

Основні завдання дослідження:

1. Вивчити аварійні режими роботи асинхронного двигуна і відповідні їм системи захистів;
2. Розробити моделі в програмному середовищі Simulink Matlab, що дозволяє імітувати максимально-струмовий захист і автоматичне резервування двигуна;
3. Розробити системи захистів електроприводу змінного струму;
4. Обробити і провести порівняльний аналіз отриманих даних.

Об'єкт дослідження : електрична схема видобувної дільниці

Предмет дослідження : асинхронний двигун з короткозамкненим ротором

В рамках магістерської роботи планується отримання актуальних наукових результатів за наступними напрямками:

1. надійність системи автоматики при аварійних режимах;
2. дослідження перехідних процесів в двигунах з перетворювачами частоти або з тиристорним управлінням;
3. совешенствованіе максимального струмового захисту;
4. застосування штучного інтелекту в роботі електрообладнання.

3. Огляд досліджень і розробок

Структура електротехнічного комплексу очисного ділянки шахти будується відповідно до положень нормативних документів і містить джерело електроживлення - комплектну трансформаторну підстанцію (КТП), розподільні пункти ділянки (РП) і асинхронні електродвигуни (М) споживачів (рис.1). У свою чергу, дільничний розподільні пункти може бути представлений сукупністю магнітних пускачів (П), від яких по радіальної схемою до асинхронних двигунів відповідних споживачів веде розгалужена мережа гнучких кабелів (ГК) [ 3 ].

Груповий автоматичний вимикач (АВ) застосовується на введенні дільничного розподільні пункти з метою подачі (зняття) напруги на РП вручну і відключення його в автоматичному режимі при умови зникнення напруги в мережі, виникненні короткого замикання в приєднанні або наявності команди зовнішньої технологічного захисту (наприклад, газовий захист). Подача напруги від дільничної підстанції на введення групового автоматичного вимикача розподільного пункту здійснюється по магістральному кабелю (МК), в якості якого приймають броньовані або напівгнучкі екрановані кабелі.

3.1 Аварійні режими систем електрообладнання

Імовірність появи аварійних (ненормальних) режимів для електроустаткування (включаючи двигун), що розробляється присутній навіть для правильно спроектованої і експлуатованої системи.

До аварійних режимів належать:
• багатофазні й однофазні короткі замикання в обмотках електродвигуна;
• багатофазні короткі замикання в вивідний коробці електродвигуна і у зовнішній силовий ланцюга;
• короткі замикання на корпус або нульовий провід всередині двигуна або у зовнішній ланцюга – в мережах з заземленою нейтраллю;
• короткі замикання в ланцюзі управління

Короткі замикання є найбільш небезпечними аварійними режимами в електроустановках.В більшості випадків вони виникають через пробою або перекриття ізоляції. Струми короткого замикання іноді досягають величин, в десятки і сотні разів перевершують значення струмів нормального режиму, а їх тепловий вплив і динамічні зусилля, яким піддаються струмопровідні частини, можуть привести до повреженіювсей електроустановки.

Теплові перевантаження електродвигуна через проходження по його обмотках підвищених струмів:

• при перевантаженнях робочого механізму з технологічних причин;
• особливо важких умовах пуску двигуна під навантаженням і його застопаріваніі;
• при тривалому зниженні напруги мережі;
• обриві проводу в обмотці двигуна або випаданні однієї з фаз зовнішньої силового ланцюга;
• механічних пошкодженнях в двигуні або робочому механізмі;
• при погіршенні умов охолодження двигуна.

В першу чергу теплові перевантаження викликають прискорене старіння і руйнування ізоляції двигуна; це призводить до короткого замикання, тобто до передчасного виходу двигуна з ладу.

3.2 Огляд наявних технічних рішень

Схемоелементи для максимального струмового захисту. При різних режимах роботи електронних схем можливі різні позаштатні ситуації, які можуть прівeсті до замикання елeктрічeскіх цeпeй. Також можна виділити окремо ситуації, пов'язані з обривом фаз живлячої напруги, різким зниженням струму збудження двигунів постійного струму або стопоріння руху виконавчого органу двигуна. Дані ситуації проводять до різкого стрибка струму до сверхдопустімих значень.

Саме в таких випадках надструмів передбачається максимальний струмовий захист (МТЗ). Засобами реалізації МТЗ служать плавкі прeдохранітeлі, реле максімальнoгo тoка і aвтоматіческіe виключатeлі. Плавкі запобіжники FU включаються в кожну лінію (фазу) живильної двигун мережі між вимикачем QF напруги мережі і контактами лінійного контактора КМ, а також можуть включатися в ланцюг управління [2, 3]. На рисунку 2 наведені схеми реалізації МТЗ за допомогою підключення реле в схему [ 4 ].

Вибір плавкої вставки запобіжників заснований на розрахунку і виборі їх для стійкої роботи по відношенню до величини пускового струму в електросхемах середньої і великої потужності. Котушки цих реле FA1 і FA2 між вимикачем QF і лінійним контактором КМ (рис. 2а). Розмикаючих контакти цих реле включені в ланцюг котушки КМ лінійного контактора (рис. 1б). При виникненні надструмів в контрольованих ланцюгах вище уставок реле FA1 і FA2 вони розмикаються, і двигун відключається від мережі[7].

Технічні рішення щодо захисту передбачають певний час спрацьовування, протягом якого буде підтримуватися ток (і відповідна теплова перевантаження) аварійного силового приєднання. З огляду на небезпеку вибуху метано-повітряної суміші в умовах шахти від займання в місці виникнення короткого замикання, принципово важливою складовою захисної функції слід вважати запобігання відкритого іскро - і дугообразовання, здатного викликати цей вибух. Прискорення виявлення режиму короткого замикання може бути досягнуто на основі вимірювання швидкості зміни струму в контрольованій мережі. Реалізація цього принципу може бути виконана по-різному, як шляхом безпосереднього визначення швидкості наростання струму в мережі і порівняння цього параметра з контрольованою величиною, так і побічно. Прикладом реалізації функції контролю швидкості наростання струму в мережі є схема швидкодіючої струмового захисту БМЗ, де передбачена реакція стабилитрона VD7 на величину падіння напруги (що є функцією швидкості наростання струму мережі) на резисторі R1 навантаження мостового випрямляча VD1-VD6 (рис. 3).

В іншому випадку процес підвищення струму в трифазній мережі може бути виявлений шляхом визначення зміщення моменту збіги миттєвих значень струмів суміжних фаз (i _A і i _B, відповідно до рис. 4). Діаграма електричних параметрів вказує на наявність переміщення в часі цієї точки в процесі збільшення струму трифазної мережі (временнoй інтервал ΔТ перетворюється в імпульс напруги U₁ пропорційної амплітуди, яка порівнюється з опорною напругою U _оп). Отже, аварійний стан мережі може бути виявлено раніше, ніж ток досягне амплітудного рівня або діючого значення [ 2 ].

4. Математичний опис моделі досліджуваного об'єкта

При побудові реальних систем електроприводу змінного струму в системи управління включають перетворювачі фаз 3/2 і 2/3 [5]. Перший (3/2) - здійснює перетворення трифазних напруг U_A, U_B, U_C в двофазні U_a, U_b, відповідно з виразами:

де а - оператор повороту;

Після перетворення рівняння отримаємо:

Узагальнена система рівнянь для опису асинхронної двигуна з короткозамкненим ротором має вигляд:

Імітаційна модель асинхронного двигуна з активним навантаженням в Matlab Simulink показана на рисунку 5 [6].

Силовий канал реалізований за допомогою віртуальних блоків спеціалізованого пакета розширення SimPowerSystem, а керуючий і інформаційний канали побудовані на основі блоків основного пакета Simulink. Модель МТЗ містить джерело живлення, блок перетворювача (3/2), блок електричної машини, блок перетворювача (2/3), вимірювальні блоки. Імітаційна схема максимально-струмового захисту асинхронного двигуна представлена на рисунку 6. Для побудови графіків перехідних процесів використаний блок Scope.

Алгоритм роботи моделі вказано на рисунку 7.

Висновки

В даній роботі:

• розглянуті захисту шахтних дільничних мереж від струмів короткого замикання;
• продемонстрований процес короткого замикання за допомогою обчислювального пакету MathCAD;
• визначені значущі фактори впливу на величину струмів короткого замикання;
• введені раціональні допущення;
• cоставлена математична модель, схема комп'ютерної моделі, що дозволило зробити відповідне дослідження і отримати відповідні дані про процес короткого замикання.

Таким чином в результаті математичного моделювання отримано перехідний процес виникнення короткого замикання в електричній мережі. Розроблена математична модель буде використана в адаптивній системі електропостачання.

При написанні даного реферату магістерська робота ще не завершена. Остаточне завершення: червень 2021 року. Повний текст роботи і матеріали по темі можуть бути отримані у автора або його керівника після зазначеної дати.

Перелік посилань

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.