39597

ЗАЩИТА АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ ОТ ЭКЦЕНТРИСИТЕТА РОТОРА

Научная статья

Производство и промышленные технологии

ЗАЩИТА АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ ОТ ЭКЦЕНТРИСИТЕТА РОТОРА Актуальность проблемы. Как показывает практика эксплуатации асинхронных двигателей АД до 3050 из них длительное время работают со статическим эксцентриситетом ротора. Происходит ускоренное тепловое старение изоляции с последующим коротким замыканием в обмотке статора или повреждением обмотки ротора [1]. В данной статье рассматривается устройство лишенное большинства из этих недостатков а также методика оценки потерь в АД при эксцентриситете ротора.

Русский

2013-10-07

443.5 KB

14 чел.

EMBED PBrush  

  1.  

УДК 621.313.13

ЗАЩИТА АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ ОТ ЭКЦЕНТРИСИТЕТА роторА

     Актуальность проблемы. Как показывает практика эксплуатации асинхронных двигателей (АД), до 30-50% из них длительное время работают со статическим эксцентриситетом ротора [1,2]. При этом эксплуатационные характеристики АД ухудшаются, а потребление электроэнергии увеличивается. Ущерб от перерасхода электроэнергии за год в таком режиме по ориентировочным подсчетам [3] может превышать стоимость самого АД. Если при этом ротор касается статора, то их сердечники разогреваются. Происходит ускоренное тепловое старение изоляции с последующим коротким замыканием в обмотке статора или повреждением обмотки ротора [1]. В результате АД требует дорогостоящего ремонта или полностью выходит из строя. Своевременное выявление эксцентриситета и отключение АД позволяет ограничиться регулировкой воздушного зазора.

     Для этого измеряют магнитную несимметрию АД с помощью индукционных преобразователей, размещаемых на внешней его поверхности, например [4,5] или внутри [6]. Первые удобней, так как не требуют разборки машины, но плохо защищены от механических повреждений и влияния магнитных полей окружающих электроустановок. Но и те и другие нуждаются в соединительном кабеле между АД и ячейкой КРУ.

     В данной статье рассматривается устройство, лишенное большинства из этих недостатков, а также методика оценки потерь в АД при эксцентриситете ротора.

     Потери в АД. Статический эксцентриситет ротора возникает в АД при смещении его опор. Появляется неравномерность воздушного зазора, а в зазоре дополнительные поля [7,8]. Последние индуцируют в «беличьей клетке» ротора дополнительные токи. Эти токи существенно изменяют параметры АД и определяют его потери при эксцентриситете ротора.

     На рис. 1,а приведена расчетная схема по определению величины перемещения элементов ротора, где 1 и 2 -сердечники статора и ротора; 3 и 4 -их обмотки; 5 и 6 -первая и вторая опоры ротора. Практически у ротора всегда первоначально перемещается одна из опор. Что приводит к смещению первого и последнего листов сердечника ротора на  и  соответственно. При этом максимальное перемещение последнего составляет . Тогда, с учетом [7,8] и рис.1,а величина воздушного зазора

     ,

где ; ; - геометрический угол, отсчитываемый вдоль расточки ротора от оси обмотки статора той фазы, в которой ток равен амплитуде при =0; - величина номинального воздушного зазора; --коэффициент Картера; - коэффициент эксцентриситета, который позволяет учесть разность смещения опор в зависимости от отношения .

     Если принять величину относительного эксцентриситета [8]

     ,                                                                                               (1)

то удельная проводимость зазора [9], образованная сердечником ротора

     

     Разложив второй сомножитель этого выражения в ряд Фурье и ограничившись нулевым и первым членом ряда удельной проводимости, можно получить

                                                                          (2)

где ; .

      Зависимость  на рис.1,б строится как

     ,                                      (3)

где  и -определяются при смещении ротора на , а  и  при смещение -о листа сердечника ротора на величину

     .

     В расчетах  считается не зависящим от коэффициента Картера , так как в интервале =1,1-1,8  изменяется не более чем на 5%.

     Пространственное распределение основной гармонической поля воздушного зазора в эксплуатационных режимах работы при синусоидальном напряжении сети моделируется по методу удельной магнитной проводимости зазора [9]. Если считать магнитную проницаемость стали бесконечно большой, то

      

где  и - магнитодвижущая сила (МДС) статора и ротора.

Рис.1 Расчетная схема и величина коэффициента перемещения

в зависимости от отношения

     Примем =0. Тогда, в режиме холостого хода индукция магнитного поля воздушного зазора электродвигателя при эксцентриситете ротора [7]

     ,                        (4)

где первое слагаемое является основной гармонической поля с числом пар полюсов , а второе – дополнительные поля с числом пар полюсов равным .

     В режиме холостого хода

     

где - действующее значение тока холостого хода в фазах АД без эксцентриситета; - число последовательно соединенных витков в фазе; - обмоточный коэффициент; -число фаз обмотки статора.

     Анализ (4) показывает, что дополнительные поля в воздушном зазоре пропорциональны основному полю. Но эти поля вращаются асинхронно с ротором и поэтому демпфируются полями беличьей клетки. В свою очередь поле зазора зависит от скольжения ротора и определяется отношением , где и - напряжение на обмотке фазы статора и ЭДС индуцируемое в ней. С учетом этого ток в фазе АД при эксцентриситете ротора можно представить в виде

     ,                                                                            (5)

где - коэффициент демпфирования, расчет которого предложен Иорданом и Фрейсом в [8], а авторами (таблица 1) определен для усредненного значения рекомендуемого числа стержней короткозамкнутого ротора АД в зависимости от числа его пар полюсов; - коэффициент, приведен на рис.2,а, где строился с учетом [10]; - ЭДС, индуцируемая в обмотке фазы статора магнитным полем воздушного зазора АД; - фазное напряжение сети.

                                                                                                                               Таблица 1

1

2

3

4

6

0,2011

0,2457

0,2943

0,3475

0,4703

     Зависимость  была проверена экспериментально на асинхронном двигателе АО-31-4 при различных значениях эксцентриситета. Величины дополнительных токов в относительных единицах в фазе АД измерялись анализатором спектра С8-13. Их величина в режиме холостого хода, нагрузки в ,  и пуска составили соответственно 1,0; 0,857; 0,647 и 0,5. Она хорошо согласуется с зависимостью , приведенной в [10].

     Расчет тока фазы  в относительных единицах для АД с =1-6 (кривые 1-6) в зависимости от эксцентриситета ротора приведены на рис.2,б. Его расчетная величина (кривая 2 на рис.2,б) например для АО-31-4 с =2 отличается от результатов эксперимента (показаны точками) не более чем на 10-15%. Аналогичные расчеты и эксперименты на ряде других двигателей показали, что при =0,3-0,9 расход электроэнергии увеличивается примерно на 0,45-3,95% в зависимости от числа пар полюсов.

     Теоретические основы построения защиты от эксцентриситета. Анализ (4) показывает, что при эксцентриситете каждая гармоническая поля зазора образует в воздушном зазоре дополнительные поля с порядком  или . Гармонические  образованны ротором и зависят от его скольжения. Поэтому использоваться для построения защиты от эксцентриситета не могут. Использовать высшие - е гармоники достаточно сложно из-за колебаний частоты сети. По ГОСТ допустимое отклонение частоты сети ±2%. При этом, изменение например 20- й составит =980÷1020 Гц. Для практического использования более подходит гармоническая с частотой

                                                                                                   (6)

Рис.2 Зависимости от скольжения (а) и тока фазы АД от эксцентриситета (б)

     Она достаточно удалена от частоты сети  и гармоник и мало зависит от ее изменений.

     На рис. 3 приведена блок-схема устройства защиты АД от эксцентриситета ротора. В схеме: ТТ- трансформатор тока встроенный в выключатель или устанавливаемый вблизи него; ВЦ- входные цепи; ПЗФ и ППФ- полосно-задерживающий и полосно-пропускающий фильтры; Д- детектор; ПЭ- пороговый элемент; ЭИ и ЭВ- элемент индикации и времени; РЭ- реагирующий элемент; ОН- ограничитель напряжения.

     Входные цепи необходимы для согласования электронной схемы устройства с цепью ТТ и нормирования напряжения на входе ПЗФ. ПЗФ, ППФ и детектор Д образует измерительный орган устройства. Он выделяет из сигнала ТТ информацию о величине эксцентриситета. ПЗФ используют для подавления основной гармонической с учетом колебаний частоты в сети. Его выполняют из двух звеньев второго порядка, которые настраивают на частоты 49,2 и 50,8 Гц. На рис. 4,а приведена амплитудно-частотная характеристика такого ПЗФ, который обеспечивает нормальную работу устройства при частоте сети 50±1 Гц..

Рис.3 Блок-схеме устройства защиты АД от эксцентриситета ротора

     ППФ предназначен для выделения сигнала с частотой . Он также выполнен из двух звеньев с настройкой их на 1,02 и 0,98. Амплитудно-частотные характеристики такого фильтра приведены на рис.4,б.

Рис.4 Экспериментальные частотные характеристики заграждающего пропускающего однозвенного и двухзвенного фильтров

     Детектор Д выпрямляет сигнал с ППФ. Пороговый элемент имеет гистерезис с коэффициентом возврата около 0,6., а элемент времени ЭВ изменяемую в пределах 4÷15 секунд выдержку времени на срабатывание. Элемент индикации ЭИ многоцелевой. Он характеризует как состояние АД, так и состояние устройства защиты.

     

     Скачки напряжения сети, ударная нагрузка на валу АД и однофазные замыкания на землю вызывают колебания напряжения на входе детектора Д. Что является реакцией активных фильтров с высокой добротностью на броски входного напряжения на ВЦ. Для анализа поведения РЗЭ-7 в этих режимах использована схема на рис.5. В соответствии с [11] переходные процессы в ней описываются характеристическим уравнением

      Экспериментально установлено, что для моделирования поведения ППФ добротностью =32 и частотой =37,5 Гц следует принимать =260 Гн, =130 Мкф и входное сопротивление детектора =3300 Ом. Тогда, свободная составляющая тока в  и корни характеристического уравнения

        и    

     Напряжение на входе детектора . Постоянные интегрирования определяются из уравнений

       и   

при начальных условиях

             , где - напряжение на индуктивности.

Рис.5 Схема для расчета переходных процессов в фильтрах

     Так как в момент коммутации , то все напряжение приходится на катушку. В результате

      и ,

а ЭДС на входе схемы

      .

     Броски напряжения на ВЦ вызывают переходной процесс в ПЗФ и ППФ. На рис.6,а и рис.6,б приведены осциллограммы тока  однофазного замыкания на землю и напряжения  на входе Д, а на рис.6,в и рис.6,г расчетные кривые  при ударной нагрузке на валу ротора с эксцентриситетом =0,2 и =0,7. Анализ результатов расчета и эксперимента показал, что при эксцентриситете 0,2, коммутациях в сети, не соосности валов АД и привода, ударной нагрузке и перегрузках АД напряжение на входе Д носит ярко выраженный колебательный характер с изменяющейся амплитудой и периодом (рис.6,в). При этом отношение  находится в пределах 0÷0,3. С увеличением эксцентриситета ротора  возрастает,  а уменьшается (рис.6,г).

     От колебания амплитуды отстраиваются путем выбора напряжения  срабатывания порогового элемента ПЭ и времени  задержки ЭВ. Длительность колебаний напряжения на входе Д составляет порядка 1÷3 с. Поэтому  должна превышать эту величину (рис.3,г). Снижение амплитуды  до уровня 0,4 приводит к сбросу времени отсчета ЭВ. Поэтому  и время задержки ЭВ выставляют в режиме максимальной нагрузки конкретного АД.

     При эксцентриситете ротора =0,1-0,25 в режимах холостой ход ÷ нагрузка величина дополнительных полей, а следовательно и амплитуда  с частотой  недостаточны для срабатывания порогового элемента. Сигнал о эксцентриситете ротора АД отсутствует. При увеличении эксцентриситета до =0,4-0,9 амплитуда  возрастет, пороговый элемент сработает и запустит ЭВ. Если длительность сигнала превысит , то РЭ сформирует сигнал для оперативного персонала или отключит АД от сети.

     В момент пуска АД бросок тока  устройство защиты воспринимает как бросок нагрузки на валу, а напряжение на выходе детектора практически не отличается от его напряжения в режиме нагрузки. Этот эффект обеспечивает ограничитель напряжения ОН на входе устройства и полосно-заграждающий фильтр. Конец пуска, характеризуется плавным уменьшением тока , что не вызывает переходных процессов в фильтрах устройства и не изменяет напряжения на выходе детектора.

     В режиме ударной нагрузки и перегрузке АД при  больших порога срабатывания ПЭ, он срабатывает и запускает ЭВ. При  минимуме он возвращается в исходное положение и отключает ПЭ. Время нахождения ПЭ в сработанном положении не превышает  и сигнал на выходе реле отсутствует.

Рис.6 Осциллограммы на входе детектора в различных режимах работы АД

     Реализация устройства. На основе блок-схемы разработано реле защиты от эксцентриситета РЗЭ-7. Конструкция реле РЗЭ-7 обеспечивает возможность проверки исправности его основных узлов непосредственно на месте установки без применения измерительных приборов Для этого вводится положительная обратная связь между входом и выходом измерительной части реле. Это вызывает в исправном реле генерацию колебаний на частоте настройки ППФ.

     Перед запуском в мелкосерийное производство реле РЗЭ-7 длительное время исследовалось в лаборатории и на производстве. Эксперименты показали, что величина характер изменения напряжения  на входе детектора Д зависит не только от качества регулировки воздушного зазора между статором и ротором АД, но и от центровки осей двигателя и приводимого механизма. При квалифицированной сборке АД и центровке валов =0÷0,3. При этом частота огибающей = 0,2÷0,5 Гц. Это позволяет для расчета напряжения срабатывания ПЭ и времени задержки ЭВ рекомендовать выражения

      и                                                      (7)

где  и - текущее и номинальное значения тока АД; - коэффициент возврата ПЭ; =1,3÷1,5 - коэффициент запаса.

     Помехи в цепях питания РЗЭ-7 сведены до нуля известными методами [12]. От помех во входных цепях удалось избавится, поместив выходное реле в экран и ”заземлив его вместе с общим проводом электронной схемы.

ВЫВОДЫ

1. Предложенная методика позволяет определить потери в АД при эксцентриситете ротора с погрешностью не превышающей 15%. Увеличение эксцентриситета  с 0,3 до 0,9 и уменьшение числа пар полюсов  с шести до одного увеличивает потребление электроэнергии АД на 0,45-3,95%.

2. Разработанное реле РЗЭ-7 не нуждается в специальных индукционных преобразователях с соединительным кабелем от АД до ячейки КРУ и выявляет эксцентриситет ротора =0,4-0,9.

ЛИТЕРАТУРА

  1.  Корогодский В.И., Кужеков С.П., Паперно Л.Б. Релейная защита электродвигателей напряжением выше 1000 В. -М.: Энергоатомиздат, 1987.- 248с.
  2.  Гемке Р.Г. Неисправности электрических машин. -Л.: Энергия, 1975.- 296с.
  3.  Новожилов А.Н. Андреева О.А. В. Математическое моделирование работы асинхронного двигателя с повреждением и смещением короткозамкнутого ротора. -Повлодар.: Вестник ПГУ,2002.- 351с.
  4.  United States Patent 3.970.897. Detector and apparatus incorporating the same for detecting phase-asymmetry and protecting there-phase motors against dangerous operating condituons. D.Tamir, M.S.Erlicki.- 1974.- Apr.22.
  5.  Вавв М. Fault detection system monitors the health of AC induction motors. Control engineering.- nr 4.- 1988.- s.86÷87.
  6.  А.С. №1708125 СССР. Устройство для защиты трехфазной электрической машины от повреждений // Гаджиев О.И., Кирейцев В.З., Клецель М.Я., Новожилов А.Н., Мануковский А.В., Семикин С.А. Опубл. 22.09.91.
  7.  Новожилов А.Н. Токи асинхронного двигателя при статическом эксцентриситете// Электротехника. – 1994.- №11.- С.45÷47.
  8.  Геллер Б., Гамата В. Высшие гармоники в асинхронных машинах. -М.: Энергия,1981.- 351с.
  9.  Вольдек А.И. Влияние неравномерности воздушного зазора на магнитное поле машины// Электричество. - 1951.- №12.-С.40÷46.
  10.  Петров Г.Н. Электрические машины. Ч.2. Асинхронные машины и синхронные машины. -М.-Л.: Энергия, 1968.- 224с.
  11.  Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. -М.: Высшая школа, 1967.- 775с.
  12.  Вихарев А.П. Один из путей обеспечения электромагнитной совместимости устройств релейной защиты// Электромеханика.. (Изв.высш.учеб. заведений).- 1999.- №1.- С.52÷55.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

51672. Психология манипуляции: феномены, механизмы и защита 1.56 MB
  Проблема психологического воздействия разрабатывается на пересечении таких разделов психологии как психология общения и психология личности. Основные составляющие манипулятивного воздействия. Сокрытие воздействия. Мишени воздействия.