Асинхронные электродвигатели являются одним из наиболее распространенных видов электрооборудования, свыше 85% всех электрических машин – это трехфазные АД. Обладая достаточно простой и надежной конструкцией, они широко применяются в качестве привода механизмов на промышленных предприятиях, в системах собственных нужд электростанций и потребляют свыше половины всей вырабатываемой электроэнергии. Несмотря на простоту конструкции и относительно высокую надёжность, повреждаемость асинхронных электродвигателей довольна велика и составляет порядка 20-25% от общего числа за год, что требует больших затрат на ремонтные работы. В настоящее время многие предприятия, специализирующиеся на производстве устройств релейной защиты и автоматики, уделяют достаточно много внимания разработке, отладке и выпуску микропроцессорных терминалов и реле. Практически нет отрасли техники и быта, где не использовались бы асинхронные двигатели. По статистике сейчас в общественном производстве стран СНГ находится не менее 50 млн. единиц двигателей напряжением 0,4 кВ.
Обычно срок службы АД составляет 15-20 лет без капитального ремонта при условии правильной эксплуатации. Однако плохое качество питающего напряжения, повышенная температура, влажность, нарушение правил технической эксплуатации приводят к выходу из строя эксплуатируемых электродвигателей. В результате аварий выходят из строя до 10% эксплуатируемых электродвигателей.
Выход из строя АД приводит к тяжелым авариям и большому материальному ущербу, связанному с простоем технологических процессов, устранением последствий аварии и ремонтом вышедшего из строя АД. Именно поэтому возникает потребность в устройствах защиты и мониторинга за состоянием оборудования и механизмов, приводимых в действие асинхронными электродвигателями.
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
Асинхронные электродвигатели (АЭД) с короткозамкнутым ротором (КЗР) являются основным типом машин переменного тока, используемых для привода механизмов собственных нужд электростанций и промышленных предприятий. Данный тип АЭД составляет почти 95% от всего количества электроприводных двигателей в промышленности и потребляет при этом свыше половины всей вырабатываемой электроэнергии. К числу достоинств АЭД относятся простота конструкции, надёжность эксплуатации. Однако, несмотря на преимущества асинхронных электродвигателей по сравнению с другими электрическими машинами, процент их повреждаемости довольно таки высок и составляет порядка 20-25% в год от общего числа АЭД, находящихся в эксплуатации. Примерно половина повреждений связана с недостаточным совершенством существующих устройств релейной защиты и автоматики, которые особенно неудовлетворительно защищают двигатель в анормальных режимах, связанных с тепловым перегревом. В связи с этим разработка более совершенных защит с использованием микропроцессорных систем является актуальной.
Техническая эксплуатация электрооборудования и сетей насосной станции
... а для наружного- 0,12 Вт/м2 . Отопление и вентиляция насосной станции предназначены для создания нормальных условий эксплуатации насосной станции и сохранности её оборудования. В её помещениях должны ... насосов - асинхронные короткозамкнутые. Как правило, они работают при напряжении 380 В. Это напряжение является достаточным, так как мощности электродвигателей и расстояние между местом их установки и ...
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.
Техническая эксплуатация и ремонт двигателей постоянного тока (2)
... Двигатель постоянного тока — электрическая машина, машина постоянного тока, преобразующая электрическую энергию постоянного тока в механическую энергию. Двигатели постоянного тока ... тормозного М т в состоянии покоя ротора, иначе якорь двигателя не начнет вращаться. В установившемся режиме ... геометрической нейтрали, направлены встречно и взаимно компенсируются. Для того чтобы подать от обмотки якоря ...
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
Как уже отмечалось, косвенное измерение температуры ротора основано на расчёте в реальном времени активного сопротивления ротора в горячем состоянии по данным замеров мгновенных значений фазных токов и напряжений и величины скольжения и по результатам сравнения активных сопротивлений ротора в холодном и горячем состояниях определяется температура нагрева ротора. Расчёт сопротивления ротора производится на основе эквивалентной схемы замещения (ЭСЗ) АЭД. Как показано в [8] , для машин с вытеснением тока в роторе наиболее целесообразно применять двухконтурную схему замещения с контуром потерь в стали статора (рис. 1), для которой необходимо знание её параметров. Метод определения параметров ЭСЗ с контуром потерь в стали приведен в [9] .
Дипломные работы релейная защита
... автоматики. Работа многих из этих устройств тесно связана с работой релейной защиты. Основной задачей построения релейной защиты ... схемы замещения прямой и нулевой последовательностей. Схема нулевой последовательности определяется соединением обмоток участвующих ... 2110,795,87-- На основании полученных значений токов КЗ (по наибольшему значению) производим выбор вспомогательного оборудования ...
Однако при несимметрии питающего напряжения в найденных по данным замеров активных сопротивлениях входном АЭД (RBX) и эквивалентном сопротивлении роторной цепи (RR/s), а также температуре нагрева ротора появляются колебания, пропорциональные степени несимметрии напряжения. Характер колебаний при несимметрии напряжении 4 % показан на рис.2.
Это связано с тем, что, как следует из [10] , в указанных режимах измеряемая входная мгновенная мощность может быть представлена как состоящая из средних значений активных мощностей систем прямой последовательности (ПП) и обратной последовательности (ОП), а также из знакопеременной пульсирующей с удвоенной частотой сети около нулевого среднего значения. С целью исключения указанных выше колебаний в работе предлагается для определения активных сопротивлений RBX и RR использовать средние значения активных мощностей, в которых отсутствуют пульсации. Это может быть выполнено на основе ЭСЗ АЭД прямой последовательности (рис.3.а) или обратной последовательности (рис.3.б) и замеров токов (I1, I2) и напряжений (U1, U2) ПП и ОП.
4.1 Расчёт температуры обмоток ротора на основе сравнения активного сопротивления ротора и его сравнения с известным значением для холодного состояния
Более предпочтительным определять активное сопротивление ротора (RR) по ЭСЗ ПП в связи с тем, что значения мощности и токов для этой системы существенно превышают их значения для ОП.
Средние значения модулей обобщённых векторов тока и напряжения прямой последовательности (I1, U1) и мощности прямой последовательности (Р1) можем найти по зависимостям
