English
ДонНТУ   Портал магистров

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

Введение

Работа посвящена вопросам совершенствования цифровой комбинированной тепловой защиты асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором, в которой объединены два способа определения температуры нагрева обмоток машины на основе контроля режимных параметров в масштабе реального времени. В первом способе температура обмотки ротора рассчитывается косвенно по результатам сравнения активных сопротивлений короткозамкнутого ротора в исходном и текущем состояниях. Во втором способе для определения температуры нагрева статора и ротора используется упрощённая тепловая модель, базирующаяся на расчётных величинах текущих потерь мощности в обмотках электродвигателя. Работоспособность предложенной комбинированной тепловой защиты асинхронной машины проверена на ПЭВМ с помощью методов математического моделирования для глубокопазного асинхронного двигателя типа VEM DKKAJ 4020-4 номинальной мощностью 1000 кВт и напряжением статора 6 кВ.

1. Актуальность темы

В настоящее время благодаря относительной простоте конструкции и относительно высокой надёжности основным типом электрических двигателей (ЭД) переменного тока, наиболее широко применяемых в качестве электроприводных машин и механизмов установок системы собственных нужд тепловых и атомных электростанций, а также различных промышленных предприятий, являются асинхронные двигатели (АД) с короткозамкнутым ротором (КЗР) [1]-[5]. Безотказная работа в течение всего заявленного заводом-изготовителем срока эксплуатации зависит от качества изготовления асинхронной машины, от качества эксплуатации, а также качества применяемых устройств релейной защиты и автоматики (РЗиА) (своевременное срабатывание в анормальных и аварийных режимах работы (РР)). Как справедливо показано в [4] существующие устройства и системы РЗиА АД с КЗР способны защитить присоединение «кабель-ЭД» далеко не от всех возможных анормальных и аварийных РР, как например, при появлении несимметрии питающего напряжения, при многократных пусках, следующих один за другим и др. Одним из путей решения актуальной задачи совершенствования систем РЗиА АД с КЗР является дальнейшая модернизация тепловой защиты (ТЗ) асинхронных машин.

2. Результаты исследований.

В данной работе в качестве базисного будем использовать алгоритм комбинированной тепловой защиты (КТЗ) АД с КЗР, предложенный в [2]. Ключевой особенностью данной КТЗ является сочетание двух подходов к определению температуры нагрева, основанных на одновременном использовании тепловой модели машины и усовершенствованного алгоритма косвенного определения температуры КЗР по данным измерения на каждом шаге работы микроконтроллера режимных параметров – мгновенных значений фазных токов (ia, ib, ic), фазных напряжений (ua, ub, uc) и величины скольжения (s). С целью оптимизации под микропроцессорные системы небольшой и средней вычислительной мощности в данной работе предлагается усовершенствование базисного алгоритма КТЗ путём модернизации модуля косвенного определения температуры нагрева обмотки короткозамкнутого ротора машины. Для упрощения реализации на микропроцессорной платформе будем использовать алгоритм косвенного определения температуры нагрева обмотки КЗР АД, базирующийся на одноконтурной эквивалентной схеме замещения (ЭСЗ) с учётом потерь в стали магнитопровода статора и учётом скин-эффекта в обмотке ротора.

Приближённые значения параметров ТМ можно найти для тепловых сопротивлений статора ?1 и ротора ?2 из уравнений (2) для установившегося номинального режима ЭД, полагая при этом, что производные от температур равны нулю (p?S = 0, p?R = 0), теплообмен между статором и ротором отсутствует (?3 = ?), а температуры нагрева обмотки статора VS и обмотки ротора VR равны номинальным.

Рассчитанные значения параметров тепловой схемы в ТМ уточняются в процессе проведения соответствующих экспериментов на электроприводе. Блок-схема усовершенствованной комбинированной защиты показана на рисунке 3, и представляет собой последовательность вычислительных операций, производимых микроконтроллером за один рабочий такт. Как видно из рисунка 1, блок-схема, включает: • блок измерения параметров текущего режима (блок 1); • блок исходных данных (блок 2); • последовательность вычислительных операций по алгоритму косвенного определения температуры нагрева ротора, основанного на алгебраических уравнениях с определением входных сопротивлений АД по данным измерений параметров текущего режима (блоки 3-8); • блок расчёта потерь в машине (блок 9); • дифференциальные уравнения двухмассовой тепловой модели асинхронного двигателя (блок 10). С целью улучшения качества косвенного расчёта температуры нагрева ротора VR выполнено усреднение определяемых входных сопротивлений машины (блок 5), аналогично [6]. Работоспособность предложенной усовершенствованной КТЗ АД с КЗР проверена на ПЭВМ с помощью методов математического моделирования для глубокопазного асинхронного двигателя типа VEM DKKAJ 4020-4 производства немецкой компании VEM Group® номинальной мощностью 1000 кВт и напряжением статора 6 кВ, каталожные данные которого приведены в таблице , а рассчитанные по методике, изложенной в [7]

Двухполюсное УЗО с номинальным током 100 А

Рисунок 1 – Блок-схема комбинированной тепловой защиты АД с КЗР

В качестве примера был промоделирован режим нормальной работы под нагрузкой и последующее увеличение или наброс нагрузки на валу машины для АД с КЗР типа VEM® GmbH DKKAJ 4020-4. Корректная работа усовершенствованной КТЗ проверялась по факту сравнения величины температуры нагрева АД (VR), определённой по алгоритму (см. рис. 3) с величиной температуры, определённой по заданному заранее закону (VS*, VR*), аналогично [2]. Зависимости от времени (t) тока статора фазы «а» (ia), угловой частоты вращения ротора (?), температуры нагрева обмотки статора и КЗР, определяемые по тепловой модели (?S, ?R) и температура нагрева обмотки короткозамкнутого ротора, определяемая косвенно на основе сравнения активных сопротивлений КЗР в горячем и холодном (исходном) состояниях (VR) для АД с КЗР типа VEM IE3-W41R 280 S2 представлены на рис.2.

Классификация УЗО по виду входного сигнала.

Рисунок 2 – Зависимости от времени (t) тока статора фазы «а» (ia), угловой частоты вращения ротора (?) и температуры нагрева обмоток статора и ротора для АД с КЗР типа VEM DKKAJ 4020-4.

Из рис. 2 видно, что в процессе расчёта было получено близкое совпадение значений температуры нагрева обмоток статора и ротора, что подтверждает правильную отработку заданного закона изменения температуры нагрева (VS*, VR*), что свою очередь подтверждает корректную работу усовершенствованной комбинированной тепловой защиты АД с КЗР.

1. Предложен усовершенствованный алгоритм комбинированной тепловой защиты асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором, в котором определение температуры нагрева обмоток машины осуществляется двумя способами – на основе контроля в масштабе реального времени режимных параметров таких как мгновенные значения фазных токов и напряжений, а также величины скольжения. В первом способе температура обмоток рассчитывается косвенно по результатам сравнения сопротивлений статора и ротора в исходном и текущем состояниях. Во втором случае для этой цели используется упрощённая тепловая модель, использующая расчётные величины текущих потерь мощности в обмотках статора и короткозамкнутого ротора.

2. С целью адаптации под микропроцессорные терминалы слабой и средней вычислительной мощности предложена модернизация алгоритма косвенного определения температуры нагрева обмотки короткозамкнутого ротора асинхронного двигателя за счёт использования алгебраических уравнений в процессе преобразования схемы замещения при определении активного сопротивления ротора в горячем состоянии. Для устранения колебаний в рассчитываемых входных сопротивлениях ротора предложено выполнять их усреднение.

3. Работоспособность представленной в работе комбинированной тепловой защиты асинхронной машины проверена на ПЭВМ с помощью методов математического моделирования для глубокопазного асинхронного двигателя типа VEM DKKAJ 4020-4 номинальной мощностью 1000 кВт и напряжением статора 6 кВ.

Список источников

  1. Старшинов В.А., Пираторов М.В. Козинова М.А. Электрическая часть электростанций и подстанций [Учебное пособие] – Под ред. В.А. Старшинова. – М.: Издательский дом МЭИ, 2015. – 296 с.;
  2. Сивокобыленко, В. Ф. Математическое моделирование комбинированной тепловой защиты глубокопазного асинхронного двигателя / В. Ф. Сивокобыленко, С. Н. Ткаченко // Электрические станции. – 2020. – № 2 (1063). – С. 46-53.
  3. Zocholl S.E. On the protection of thermal processes power delivery / S.E. Zocholl, G. Benmouyal // IEEE Transactions on Vol.20, Issue 2 – 2005. – P.: 1240-1246;
  4. Venkataraman, B. Fundamentals of a motor thermal model and its applications in motor protection [Text] / B. Venkataraman, B. Godsey, W. Premerlani, E. Shulman, M. Thakur, R. Midence // GE Global Research. Motor Thermal Model Protection Applications. – 2008. – P. 41-55;
  5. Ziuzev, A. M. On Heating Induction Motor Rotor at Start-Up of High-Inertia Mechanisms [Text] / A. M. Ziuzev, V. P. Metelkov // Proceedings of 2018 17th International Ural Conference on AC Electric Drives (ACED). – 2018. – P.1-5;
  6. Ткаченко С.Н. Совершенствование цифровой системы защиты асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором системы собственных нужд электростанций / С.Н. Ткаченко, В.В. Иванов // Инновационные перспективы Донбасса. Материалы 6-й Международной научно-практической конференции. 2020. Издательство: Донецкий национальный технический университет (Донецк). 2020 – С. 170-177;
  7. Ткаченко С.Н. Метод идентификации параметров эквивалентных схем замещения асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором / Ткаченко С.Н. // Сборник научных трудов ГВУЗ «Донецкий национальный технический университет». Серия «Электротехника и энергетика». – выпуск 1 (16). – Донецк, 2014. – С. 210-215.