ДонНТУ   Портал магистров

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

Введение

Асинхронная машина - это электрическая машина переменного тока, частота вращения ротора которой не равна (в двигательном режиме меньше) частоте вращения магнитного поля, создаваемого током обмотки статора [1, 2]. В ряде стран к асинхронным дополняют также коллекторные машины. В Российской Федерации асинхронные машины составляют большую часть из всех электрических машин. В основном это электродвигатели, преобразующие электрическую энергию в механическую энергию.

1. Цель и задачи исследования

Целью исследования является расчет и анализ режима самовозбуждения асинхронных двигателей при пуске в электрической сети с учетом емкостной продольной компенсации. Среди основных задач исследования выделим такие: разработка математической модели пуска асинхронного двигателя с учетом емкостной продольной компенсации, определение условий возникновения самовозбуждения, расчет и анализ режима для различных параметров двигателей и электрической сети.

2. Асинхронные электродвигатели

По конструкции ротора принципиально асинхронные машины подразделяют на два основных типа: с короткозамкнутым ротором и с фазным ротором. Оба эти типа имеют одинаковую конструкцию статора и отличаются лишь реализацией обмотки ротора. Магнитопровод ротора выполняется также как и магнитопровод статора - из электротехнической стали и шихтованным.

Значительное распространение трехфазных асинхронных двигателей объясняется простотой их конструкции, надежностью в работе, и хорошими эксплуатационными свойствами. В дополнение к этому асинхронный двигатель характеризует относительно невысокая стоимость и простота его обслуживания. Из минусов можно выделить такие: небольшой пусковой момент, большая величина пускового тока.

Трехфазный асинхронный двигатель отличается от однофазного асинхронного двигателя тем, что на однофазном двигателе, точнее на его статоре, помещена однофазная обмотка, и называется главной обмоткой или же рабочей обмоткой. В нашем исследовании далее речь будет идти преимущественно о трехфазных асинхронных двигателях и моделировании их самовозбуждения при пуске в электрической сети с учетом емкостной продольной компенсации.

Короткозамкнутая обмотка ротора, её еще называют "беличья клетка" из-за внешней схожести конструкции, состоит из стержней медных или алюминиевых, которые замкнуты накоротко с торцов двумя кольцами. Стержни этой обмотки вставляют в пазы сердечника ротора. В машинах малой и средней мощности ротор обычно изготавливают путём заливки расплавленного алюминиевого сплава в пазы сердечника ротора.

Асинхронные электродвигатели с короткозамкнутым ротором развивают относительно небольшой пусковой момент и значительный пусковой ток. Это недостатки "беличьей клетки". Такие двигатели применяют в приводах, где не нужны большие пусковые моменты. Достоинства - это лёгкость в изготовлении, и отсутствие механического контакта со статической частью машины, что обуславливает долговечность и снижает затраты на обслуживание.

Общие технические требования к асинхронным двигателям регламентируются стандартами [3, 4, 5].

3. Продольная компенсация

Все элементы централизированной электрической системы функционально связаны единством генерирования, передачи и потребления электрической энергии. В нормальном рабочем состоянии (нормальный режим) электрическая система должна надежно обеспечить потребителя электрической энергией должного качества. При этом желательно, чтобы режим электрической системы был совершенно неизменным (установившийся режим). Однако такого полностью «установившегося режима» реально на практике существовать не может, поскольку электрическая нагрузка в системе изменяется во времени: непрерывно происходят «малые изменения» числа подключенных потребителей, их мощности, состава.

В электрических сетях 35 кВ и выше индуктивное сопротивление линии электропередачи определяет главным образом потери напряжения. Это сильно сказывается при относительно низком коэффициенте мощности и больших сечениях проводов. Последовательное включение емкости в линию электропередачи позволяет уменьшить индуктивное сопротивление.

Произведение из сопротивления конденсатора на проходящий через него ток может рассматриваться как отрицательное падение напряжения или как дополнительная ЭДС, введенная в цепь, для компенсации падения напряжения. Величина этой ЭДС прямо пропорциональна току в электрической цепи. При уменьшении потерь напряжения в линии электропередачи предел отклонения напряжения снижается и улучшается режим по напряжению.

Эффективность использования продольной компенсации зависит от соотношения индуктивного и активного сопротивлений. При большом активном сопротивлении эффективность применения продольной компенсации мала даже при полной компенсации [6].

В установках продольной компенсации возможно появление перенапряжений конденсатора при протекании через установку чрезмерного тока нагрузки или тока короткого замыкания. Конденсаторы для реализации продольной компенсации в исполнении для наружных электроустановок обычно обладают достаточно большой перегрузочной способностью и допускают существенные кратковременные перенапряжения: до 4-крат от номинального значения. В условиях промышленных предприятий продольная компенсация находит применение при резкой переменной нагрузке на линиях, питающих мощные сварочные установки, для питания дуговых печей, в целях регулирования напряжения и устранения колебаний его, а также для улучшения потока распределения в параллельных линиях электропередачи с различными соотношениями индуктивных и активных сопротивлений.

Кратко охарактеризуем влияние включения в нагрузку статических конденсаторов. Конденсаторы улучшают коэффициент мощности и обеспечивают поддержание напряжения при изменении режима. Одновременно это может резко ухудшить статическую устойчивость узла нагрузки. Так при включении батареи статических конденсаторов в составе мощности нагрузки появляется отрицательная составляющая и суммарная кривая статической характеристики мощности: зависимости реактивной мощности нагрузки от напряжения, оказывается пологой. При этом эдс эквивалентного генератора при включении конденсаторов уменьшается. Это приводит к изменению суммарной характеристики генерируемой реактивной мощности. В результате запас устойчивости всего узла нагрузки при включении конденсаторной установки также уменьшается. Скорректировать эту ситуацию можно путем увеличения в составе узла нагрузки количества двигателей с регулируемым возбуждением [9].

4. Самозапуск асинхронных и синхронных двигателей

Самозапуск – это процесс восстановления нормальной работы двигателей после кратковременного отключения питающего напряжения [7]. Самозапуск применяют для повышения устойчивости и надежности электроснабжения наиболее ответственных установок при кратковременных снижениях или отключениях напряжения источника питания [8]. Такой режим возникает в результате КЗ, которое приводит к временному снижению или исчезновению напряжения, или в результате отключения рабочего источника питания и переключения двигателей на резервный источник. При этом возможно массовое отключение двигателей от сети и нарушения технологических процессов на предприятиях. Поэтому задача самозапуска заключается в том, чтобы обеспечить бесперебойную работу двигателей при кратковременном перерыве питания.

При отключении напряжения питания наступает режим свободного выбега (группового, если в самозапуске несколько двигателей). Максимальный перерыв питания ограничен условием, чтобы к моменту восстановления питания частота вращения самозапускаемых двигателей была больше 0. Остаточное напряжение на шинах должно обеспечить вращающий момент электродвигателей, превышающий момент сопротивления. Иногда в режиме самозапуска оставляют только часть наиболее ответственных электродвигателей. Если самозапуск недопустим по условиям технологии или техники безопасности, защита должна обязательно отключать такие двигатели.

Самозапуск считается успешным (обеспеченным), если при заданном времени перерыва питания скорости вращения всех двигателей восстанавливаются до рабочих значений, и если при этом нагрев обмоток двигателей не достигнет недопустимых значений. В случае невыполнения этих условий необходимо принимать меры по облегчению условий самозапуска (отключение менее ответственных двигателей во время самозапуска, форсировка возбуждения синхронных двигателей, секционирование распределительных устройств).

Промежуток времени от момента исчезновения напряжения до момента его восстановления называется временем выбега. При выбеге скорости вращения уменьшаются, ток статора затухает до нуля, но магнитный поток двигателей остается, поскольку будет протекать ток в замкнутых обмотках роторов. Вследствие этого в обмотках статора двигателей будет индуктироваться некоторая ЭДС. При восстановлении напряжения питания амплитуды и фазы ЭДС двигателей и напряжения источника будут отличаться, что физически соответствует включению двигателей в сеть с некоторым скольжением. Вследствие этого токи статора и электромагнитные вращающие моменты двигателей во время самозапуска будут достигать значительных величин, соизмеримых с пусковыми, а иногда даже превышать их.

Временем самозапуска называют отрезок времени от момента подачи напряжения питания после перерыва до момента, когда скорости всех двигателей восстанавливают рабочие значения (в том случае, когда самозапуск является успешным). Поскольку токи при этом значительно превышают номинальные, температура обмоток двигателей растет и может достичь опасных для изоляции величин. Поэтому желательно обеспечить как можно меньшие величины времени самозапуска.

Для выявления возможности самозапуска АД необходимо проверить, достаточен ли момент вращения двигателя для самозапуска (при пониженном напряжении), и установить значение дополнительного нагрева двигателя, вызванного удлинением времени разгона. При расчете самозапуска необходимо определить: выбег за время нарушения электроснабжения; напряжение и избыточный момент в начале самозапуска; время разгона и дополнительный нагрев двигателей. Допустимое время и скольжение к моменту самозапуска может быть найдено путем численного интегрирования. Определение напряжения на двигателях производится на основании схем замещения.

Практический вопрос самозапуска реализуется в том, чтобы не допустить массового отключения электродвигателей. На рисунке 1 показано изменение скорости двигателей в относительных единицах во времени в режиме самозапуска. При этом каждый кадр соответствует разному времени перерыва питания. Из рисунка видно, что при увеличении времени перерыва питания время самозапуска также увеличивается. На рисунке показаны модели для асинхронных двигателей с различными характеристиками: номинальная мощность, кратность пускового тока, максимальный электромагнитный момент, кратность пускового момента, КПД двигателя, механическая постоянная инерции, показатель степени момента сопротивления механизма, коэффициент загрузки АД. Каждому из 5и двигателей соответствует одна кривая.

Самозапуск двигателей при различном времени перерыва питания

Рисунок 1 — Самозапуск двигателей при различном времени перерыва питания

5. Самовозбуждение асинхронных двигателей во время пуска при применении последовательной ёмкостной компенсации в сети

Применение последовательной емкостной компенсации реактивного сопротивления сети применяют для уменьшения потерь напряжения в сети при питании асинхронных двигателей [9]. При включении конденсаторов для последовательной компенсации могут возникнуть некоторые необычные с точки зрения нормальной эксплуатации явления: качание синхронных машин, «застревание» асинхронных двигателей на скоростях, меньших нормальной, самовозбуждение при пуске асинхронного двигателя или при асинхронном пуске синхронного.

Самовозбуждение нежелательно из за таких явлений:

При оценке факторов, влияющих на самовозбуждения асинхронных электродвигателей, необходимо учитывать:

  1. во время разбега двигателя замещающее его сопротивление по мере увеличения частоты вращения ротора возрастает от минимального до максимального;
  2. во время разбега двигателя при некотором значении скольжения ротора индуктивность двигателя может резонировать с емкостью последовательной компенсации, т.е. создать контур самовозбуждения с собственной частотой, которая будет ниже промышленной. Двигатель при этом вращается с частотой, соответствующей собственной частоте колебательного контура, т.е. с числом оборотов ниже нормального;
  3. длительная работа двигателя с такой частотой при наличии активных потерь (которые неизбежны) возможна при источнике достаточной мощности, поддерживающем колебательный процесс контура самовозбуждения. Таким источником и является асинхронный двигатель;
  4. во время разгона двигателя частота вращения ротора достигает значения, соответствующего частоте собственных колебаний контура, и превышает его. При этом создается отрицательное скольжение ротора по отношению к резонансной частоте и, таким образом, асинхронный двигатель переходит в режим генератора по отношению к контуру самовозбуждения [10].

Частота вращения двигателя зависит от потерь в контуре ротора, которые определяются с учетом насыщения стали двигателя. Если потери превышают генерируемую мощность асинхронного генератора, то самовозбуждение либо не возникает, либо становится неустойчивым, позволяя двигателю разворачиваться до нормальной скорости.

Частота резонирующего контура зависит от параметров сети, емкостного сопротивления устройства последовательной компенсации и сопротивления двигателя. Самовозбуждение может быть устранено либо выбором соответствующей емкости продольной компенсации, либо последовательным или параллельным включением с емкостью активного сопротивления.

Список источников

  1. Кулик Ю.А. Электрические машины. Учебное пособие для вузов. / Кулик Ю.А. — М. Высшая школа 1971г. — 456 с.
  2. Дробов, А. В. Электрические машины : учебное пособие / А. В. Дробов, В. Н. Галушко. — Минск : Республиканский институт профессионального образования (РИПО), 2015. — 292 c. — ISBN 978-985-503-540-5.
  3. ГОСТ 9630-2018 Двигатели трехфазные асинхронные напряжением свыше 1000 В. Общие технические условия. Дата введения в действие: 01.01.2020.
  4. ГОСТ Р 70929-2023 Двигатели трехфазные асинхронные большой мощности напряжением свыше 1000 В, предназначенные для комплектации с насосными агрегатами атомных станций. Общие технические требования. Дата введения в действие:01.01.2024. .
  5. ГОСТ 31606-2024 Машины электрические вращающиеся. Двигатели асинхронные мощностью от 0,12 до 400 кВт включительно. Общие технические требования. Дата введения в действие:01.06.2024.
  6. Лыкин А.В. Электрические системы и сети : учебник / Лыкин А.В.. — Новосибирск : Новосибирский государственный технический университет, 2017. — 363 c. — ISBN 978-5-7782-3037-8.
  7. Веников В.А. Переходные электромеханические процессы в электрических системах. / Веников В.А. — М.: Высш. шк., 1985. — 536с.
  8. Переходные процессы в системах электроснабжения: Учебник / В.Н. Винославский, Г.Г. Пивняк, Л.И. Несен и др.: под ред. В.Н. Винославского. К.: Высш. шк. Головное изд-во, 1989. — 422с.
  9. Бугров В.Г. Электромеханические переходные процессы в системах электроснабжения. Учебное пособие / Бугров В.Г. — Тверской государственный технический университет, 2005. — 115c.
  10. Сыромятников И.А. Режимы работы асинхронных и синхронных двигателей / Под ред. Л.Г.Мамикоянца. М.: Энергоатомиздат 1985. — 216с.