65494

Тепловий захист короткозамкненого ротора асинхронного електродвигуна на основі контролю параметрів поточного режиму

Автореферат

Энергетика

Основним типом машин змінного струму, що вживаються в електроприводі механізмів власних потреб електростанцій, а також механізмів промислових підприємств, є асинхронні електродвигуни (АЕД) з короткозамкненим ротором (КЗР).

Украинкский

2014-07-30

945 KB

0 чел.

PAGE  1

ДЕРЖАВНИЙ ВИЩИЙ НАВЧАЛЬНИЙ ЗАКЛАД

«ДОНЕЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ»

 

Ткаченко Сергій Миколайович

УДК 621.316.925:621.311

ТепловИЙ заХИСТ короткозамкнЕНОГО роторА асинхроннОГО ЕлектродвигУНА на основІ контролЮ параметрІв ПОТОЧНОГО режимУ

Спеціальність 05.14.02 - Електричні станції, мережі і системи

А В Т О Р Е Ф Е Р А Т

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

ДОНЕЦЬК – 2010

Дисертацією є рукопис.

Роботу виконано у Державному вищому навчальному закладі «Донецький національний технічний університет» Міністерства освіти і науки України (м. Донецьк).

Науковий керівник доктор технічних наук, професор

Сивокобиленко Віталій Федорович,

Державний  вищий  навчальний  заклад  «Донецький на-

ціональний технічний університет» Міністерства освіти і науки України, завідувач кафедри «Електричні станції», м. Донецьк.

Офіційні опоненти:   доктор технічних наук, професор

Чорний Олексій Петрович,

Кременчуцький національний університет імені Михайла Остроградського Міністерства освіти і науки України, директор навчально-наукового інституту електромеханіки, енергозбереження і систем управління (ІЕЕСУ), м. Кременчук;  

кандидат технічних наук, доцент

Дяченко Михайло Дмитрович,

Приазовський державний технічний університет Міністерства освіти і науки України, доцент кафедри «Електропостачання промислових підприємств», м. Маріуполь

 

Захист відбудеться      02 грудня     2010 р.        о 1330     годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 11.052.02 при ДВНЗ «Донецький національний технічний університет» за адресою Україна, 83001, м. Донецьк, вул. Артема, 58, 8-й навчальний корпус, ауд. 8.514.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці ДВНЗ Донецький національний  технічний  університет»  (Україна,  83001,  м. Донецьк, вул. Артема, 58,

2-й навчальний корпус).

Автореферат розісланий « 01 »  листопада   2010 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Д 11.052.02,

кандидат технічних наук, доцент                                                                А.М. Ларін

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Основним типом машин змінного струму, що вживаються в електроприводі механізмів власних потреб електростанцій, а також механізмів промислових підприємств, є асинхронні електродвигуни (АЕД) з короткозамкненим ротором (КЗР). За даними багатьох авторів пошкодження АЕД складають 20-25% за рік від загальної кількості двигунів, що експлуатуються, причому в половині аварійних випадків об'єм пошкоджень може бути суттєво знижений за допомогою більш досконалих пристроїв релейного захисту і автоматики (РЗіА).

Проте є  ряд  режимів  роботи АЕД,  в  яких  існуючі захисти недостатньо

чутливі. До них відносяться: несиметрія напруги живлення, несправності в системі охолоджування, обрив стрижнів обмотки КЗР або фази обмотки статора, багатократні пуски та ін. Вказані режими в більшості випадків супроводжуються температурою нагріву АЕД вищою за допустимі значення, що приводить до скорочення строку служби або до пошкодження електродвигунів.

Не дивлячись на те, що сучасні мікропроцесорні пристрої РЗіА електродвигунів більш досконалі ніж електромеханічні і враховують правила і стандарти вітчизняних (ПУЕ) і зарубіжних (IEEE Std C37.96-2000), вони не завжди забезпечують необхідну чутливість у режимах, що вказані вище.

Вдосконаленню захистів АЕД присвячені роботи вітчизняних і зарубіжних авторів (Соркинд М.Д., Сушко В.О., Сивокобиленко В.Ф., Ковальов Є.Б., Ткачук О.М., Федоров М.М., Родькін Д.Й., Чорний О.П., Беспалов В.Я., Кужеков С.Л., Zocholl S.E., Whatley P., Venkataraman B., Hrovat G., Gao Z., Beguenane R. та ін.), в яких містяться шляхи і рекомендації по захисту від перегріву обмоток статора і КЗР з використанням терморезисторів на статорі, теплових моделей з контролем струму статора, непрямого вимірювання опору ротора для визначення температури нагріву за даними параметрів поточних та пускових режимів. Проте, в цих роботах не розглядаються потужні АЕД, що вживаються в системі власних потреб електростанцій, опір короткозамкненої обмотки роторів яких через явище витіснення струму залежить як від ковзання (частоти струму), так і від температури нагріву. Ці явища не враховуються в відомих теплових захистах, що не дозволяє їх застосовувати для АЕД власних потреб.

У зв'язку з цим розробка теплового захисту короткозамкненого ротора потужних асинхронних електродвигунів на основі контролю параметрів поточного режиму є актуальною.

 Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалася відповідно до плану робіт кафедри «Електричні станції» ДВНЗ «Донецький національний технічний університет» в рамках держбюджетних тем Д-7-06 «Розвиток теорії побудови дискретних математичних моделей електричних станцій і енергосистем» (№ ДР 0106U001356) і Д-4-09 «Розвиток теорії принципів побудові мікропроцесорних захистів електрообладнання електростан-

цій» (№ ДР 0108U010986) при безпосередній участі автора як відповідального виконавця окремих етапів.

Мета і завдання дослідження. Метою роботи є розробка мікропроце-сорного  теплового  захисту   короткозамкнених  роторів  потужних   асинхронних електродвигунів на основі контролю параметрів поточного режиму.

Відповідно до поставленої мети в дисертаційній роботі розв'язуються наступні завдання:

  •  вибір еквівалентної заступної схеми АЕД з КЗР і методів визначення її параметрів для використання  в тепловому захисті;
  •  розробка принципів побудови теплового захисту ротора і математичної моделі для визначення температури нагріву КЗР АЕД на основі контролю параметрів поточного режиму;
  •  розробка алгоритму і комп'ютерної програми для ПЕОМ теплового захисту КЗР на основі контролю параметрів поточного режиму;
  •  дослідження теплового захисту в різних режимах роботи асинхронного електродвигуна на ПЕОМ;
  •  експериментальні дослідження на реальному асинхронному електродвигуні теплового захисту короткозамкненого ротора і розробка рекомендацій щодо його впровадження.

 Об'єктом дослідження в даній роботі є теплові процеси в асинхронних електродвигунах з витісненням струму в короткозамкненій обмотці ротора.

 Предмет дослідження – процеси контролю теплового нагріву асинхронних електродвигунів з короткозамкненим ротором і принципи побудови захистів від теплового перегріву.

 Методи дослідження. При вирішенні поставлених задач застосовувалися положення теорії електричних схем, чисельні методи розв’язання систем нелінійних диференційних і алгебраїчних рівнянь, методи цифрової обробки сигналів на основі перетворень Фур’є і методи теорії перехідних процесів машин змінного струму.        

Наукова новизна отриманих результатів:

1. Вперше для асинхронних електродвигунів з суттєвим проявленням ефекту витіснення струму в короткозамкненому роторі запропонований метод непрямого виміру температури нагріву ротора по температурно-залежній складовій його активного опору, яка визначається за даними замірів миттєвих значень фазних струмів і наруг, ковзання та відомій залежності активного опору ротора від ковзання для температури холодного стану.

2. Удосконалено еквівалентну заступну схему асинхронного електродвигуна для теплового захисту короткозамкненого ротора, яка відрізняється виділенням окремого активно-індуктивного контуру для врахування втрат у сталі, представленням активного та індуктивного опорів ротора функціональними залежностями не тільки від ковзання, а і від температури нагріву.

3. Встановлено, що в динамічних режимах АЕД додаткове вимірювання похідних струмів статора дозволяє підвищити точність непрямого визначення температури нагріву ротора шляхом врахування додаткових втрат із диференційно-інтегральних рівнянь контурів статора і ротора.

4. Для виключення  похибок при несиметрії напруги живлення розвинуто метод непрямого виміру температури нагріву короткозамкненого ротора за рахунок визначення вхідного опору за струмами і напругами прямої послідовності.

 Практичне значення отриманих результатів. Удосконалені в роботі еквівалентні заступні схеми (ЕЗС) АЕД з КЗР з контуром втрат у сталі статора, запропоновані методики визначення їх параметрів за даними каталогу і за даними експерименту. Створені на їх основі математичні моделі (ММ) дозволяють виконувати аналіз поведінки машини в сталих і динамічних режимах роботи, а також вибирати параметри теплового захисту обмотки короткозамкненого ротора (ТЗР), який розроблений в дисертаційній роботі.

Розроблений тепловий захист КЗР АЕД на основі контролю параметрів поточного режиму дозволяє здійснити захист потужних машин механізмів власних потреб електростанцій і промислових підприємств, в яких суттєво проявляється явище витіснення струму в роторі.

Для усунення впливу несиметрії напруги живлення на виміри температури нагріву КЗР в пристроях ТЗР запропоновано визначати вхідний опір АЕД на основі виділення струмів і напруг прямої послідовності (ПП).

Практична цінність і ефективність дисертаційної роботи підтверджується впровадженням її результатів в промисловості. Результати роботи впроваджені у вигляді методики «Експериментальне визначення температури нагріву короткозамкненого ротора асинхронного електродвигуна на основі контролю параметрів поточного  режиму»  на  Зуївській ТЕС  ТОВ  «Східенерго»  і  методики «Спосіб

визначення температури нагріву обмотки короткозамкненого ротора і параметрів заступної схеми асинхронного електродвигуна при проведенні приймально-здавальних випробувань» в інституті УкрНДІВЕ.

Запропонований метод непрямого визначення температури короткозамкненого ротору рекомендовано включити до ГОСТ 7217-87 «Машини електричні обертові. Двигуни асинхронні. Методи випробувань», а розроблений тепловий захист КЗР використовувати для двигунів власних потреб електростанцій. 

Програмно-апаратний лабораторний комплекс використовується в навчальному процесі ДВНЗ «Донецький національний технічний університет».

 Особистий внесок здобувача.  Основні  положення і результати дисертаційної роботи були отримані автором самостійно. Особисто здобувачем виконано: розробка алгоритмів і математичної моделі теплового захисту КЗР АЕД на основі параметрів поточного режиму; вдосконалення методів визначення параметрів ЕЗС з контуром втрат в сталі статора на основі даних каталогу, розробка методу визначення температури нагріву КЗР для коректної роботи при несиметрії напруги живлення; експериментальний аналіз і аналіз на математичній моделі працездатності розробленого теплового захисту КЗР АЕД.

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати дисертаційної роботи обговорювалися на 4-ій міжнародній науково-технічній конференції «Інформаційна техніка та електромеханіка» (ITEM-2007) (Україна, м. Луганськ, 17-19 квітня 2007 р.); міжнародній науково-технічній конференції «Електромеханічні системи, методи моделювання і оптимізації» (Україна, м. Кременчук, 15-17 травня 2007 р.); Всеукраїнській науково-технічній конференції

«Електротехніка, енергетика, електротехніка» (Україна, м. Донецьк, 28-30 листопада 2007 р.), 10-ій міжнародній науково-технічній конференції «Проблеми сучасної електротехніки» (ПСЕ-08) (Україна, м. Київ, 2-6 червня 2008 р.), а також на 6-ій міжнародній науково-технічній конференції «Математичне моделювання в електротехніці й електроенергетиці» (ММЕлектро-2009) (Україна, м. Львів, 3-6 червня 2009 р.).

 Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 10 наукових робіт в фахових виданнях переліку ВАК України, з котрих 8 – у збірниках наукових праць, а 2 – у журналах. Одержані два патенти України на корисну модель.

 Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, 5 розділів, висновків, списку використаних джерел із 172 найменувань на 20 сторінках і 3 додатків на 49 сторінках. Загальний обсяг роботи становить 215 сторінок, 53 рисунків (15 на окремих сторінках) і 36 таблиць (2 на окремих сторінках).

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

 У першому розділі «Стан питання і задачі дослідження» розглянуті і проаналізовані нормальні, анормальні і аварійні режими роботи АЕД з КЗР. На основі аналізу статистичних даних зроблена оцінка пошкодженності електродвигунів. Проаналізовані існуючі захисти АЕД, у тому числі і захисти від перегріву обмотки ротора. Виконаний критичний аналіз найпоширеніших мікропроцесорних терміналів РЗіА АЕД, що серійно випускаються у світі.

За даними проведеного аналізу встановлено, що для потужних двигунів, що використовуються в системі власних потреб електростанцій, в обмотках КЗР яких суттєво проявляється ефект витіснення струму, теплові захисти, що засновані на вимірюванні температури за даними контролю параметрів поточного режиму, потребують подальшого вдосконалення. Це обумовлено тим, що опори КЗР залежать як від частоти струму в роторі, так і від температури нагріву. Встановлено, що для створення якісного теплового захисту ротора необхідне застосування комбінованої математичної моделі, яка повинна включати як модель самого АЕД, так і модель ТЗР. Створення такої ММ передбачає використання більш точних еквівалентних заступних схем АЕД, що вимагає подальшого вдосконалення методів визначення їх параметрів на основі даних каталогу і даних експерименту. У даному розділі виконаний аналіз існуючих найпоширеніших ЕЗС АЕД з КЗР і методів визначення їх параметрів, що вживаються для аналізу сталих і динамічних режимів. Як основні, обрані ЕЗС з контуром втрат в сталі статора і урахуванням скін-ефекту в роторі (див. рис.1).

У другому розділі «Визначення параметрів еквівалентних заступних схем асинхронних електродвигунів з короткозамкненим ротором для використання у мікропроцесорних пристроях релейного захисту і автоматики» викладені удосконалені методи визначення параметрів обраних ЕЗС АЕД с КЗР на основі даних каталогу і даних експерименту.

Обрані в роботі ЕЗС (рис.1) утворюються шляхом модифікації раніш розроблених на кафедрі «Електричні станції» ДонНТУ базисних заступних схем (рис. 2) з двома еквівалентними контурами на роторі, в якій гілка намагнічування є послідовно включеними активним і індуктивним опорами (Rμ і Xμ). Пара-метри  цієї  схеми  (опори  статора  (RS, XσS),   контурів  КЗР   (RR1, XσR1, RR2, XσR2))

визначаються загальновідомими методами. Результатами моделювання встановлено, що ця ЕЗС недостатньо точно відображає втрати у сталі в динамічних режимах при різних ковзаннях ротора.

Для підвищення точності розрахунків втрат у сталі базисну схему модифіковано шляхом введення допоміжного короткозамкненого контуру з індуктив-ним (XσFE) і активним (RFE) опорами. При цьому всі контури ротора, контур статора, контур втрат у сталі мають загальний опір взаємоіндукції XμN. Параметри контуру втрат у сталі та нового значення взаємоіндукції XμN виз-начаються з розв’язання системи нелі-нійних рівнянь і нерівностей (1): 

(1)

Для визначення RFE, XσFE, XμN  з (1) використовують методи мінімізації, наприклад, метод Ньютона першого порядку.

В основу математичної моделі для  аналізу динамічних режимів використовувалась система диференційних рівнянь (ДР) (2), що описує ЕЗС з контуром втрат у сталі, яка записана у нерухомій щодо статора системі координат α, β. Розрахунок проведено в системі відносних одиниць (в.о.), а тому значення ін-дуктивних опорів і індуктивностей при цьому однакові.

                                        (2)

    ;

де  

В (2) ψS.α, ψR1.α, ψR2.α, ψFE.α, ψS.β, ψR1.β, ψR2 β, ψFE.β, iS.α, iR1.α, iR2.α, iFE.α, iS.β, iR1.β, iR2 β, iFE.β  –  потокозчеплення  і  струми  по  осях α і β  статора, першого і другого

контурів ротора і контуру втрат у сталі статора; ψμ.β, ψμ.β потокозчеплення повітряного зазору по осях α і β; aS, aR1, aR2, aFE – коефіцієнти розподілу потоко-зчеплень статора, контурів ротора і контуру втрат у сталі статора; XSR – сумарна вхідна провідність АЕД; ω – миттєве значення кутової частоти обертання ротора; M – електромагнітний момент на валу; MC – момент опору; J – сумарний момент інерції приводу; kЗ – коефіцієнт завантаження механізму; WM – енергія, що споживається АЕД за час роботи t; uS.α, uS.β – напруга статора по осях α і β; iμ.α,  iμ.β – струми гілки намагнічування по осях α і β.

При розв'язанні системи ДР (2) використовувався метод Рунге-Кутта четвертого порядку.

Алгоритм  визначення  параметрів  ЕЗС АЕД з контуром втрат у сталі статору (рис. 1) і математична модель реалізовані у вигляді комп'ютерної програми для сучасної ПЕОМ. Як приклад, були синтезовані параметри двоконтурної ЕЗС (RS =0,022; XσS = 0,089; XμN =2,602; RFE =10,539; XσFE =21,389; RR1 =0,019; XσR1 = 0,109; RR2 =0,298; XσR2 =0,214), що знайдені за запропонованим методом для електродвигуна серії ВАН (АВ) (PНОМ =320 кВт; UНОМ = 6 кВ). Параметри заступної схеми знаходились за даними каталогу на основі мінімізації відхилень каталожних і розрахункових струмів і моментів. Порівняння результатів математичного моделювання за запропонованим методом, а також за деякими відомими  (наприклад, що розроблений в технічному університеті «Московський Енергетичний Інститут») показало, що даний метод не має похибки в розрахунках струмів і моментів, тоді коли в інших є істотні відхилення.

У роботі також запропонований метод визначення параметрів однокон-турної ЕЗС с контуром втрат у сталі статора із урахуванням ефекту витіснення струму в КЗР (рис.1). Для АЕД невеликої потужності, в яких відсутній ефект витіснення струму в обмотці КЗР також представлений метод визначення параметрів одноконтурної ЕЗС з контуром втрат у сталі і без урахування скін-ефекту.

Метод визначення параметрів на основі даних експерименту запропонований для двоконтурної ЕЗС АЕД з контуром втрат в сталі статора (рис.1). Як базисну схему приймаємо двоконтурну ЕЗС (рис. 2), як і в попередньому методі. Вектор шуканих параметрів такої ЕЗС (активні і індуктивні опори статора (RS, XσS), гілки намагнічування (Rμ, Xμ), ротора (RR1, XσR1, RR2, XσR2), а також момент інерції (J)) має наступний вигляд:

                                                             (3)

 Основна ідея методу полягає у визначенні вектору Z за умови мінімізації квадратів відхилень експериментальних і розрахункових миттєвих значень фазних струмів статора, частоти обертання і споживаної електромагнітної потужності з режиму прямого пуску АЕД:

                                                                            (4)

                                                    (5)

            (6)

                              (7)

                   

  В (4)-(7) VЕ, VР  – відповідно вектори експериментальних і розрахункових

параметрів  режимів  роботи,  ia, ib, ic – миттєві значення фазних струмів статора,

PS – миттєва електромагнітна потужність у в.о. Розрахункові значення режимних параметрів визначалися за загальновідомою системою ДР (для ЕЗС, що показана на рис. 2). Струми статора розраховані у системі координат α, β, а потім переводились за допомогою формул переходу до осей a, b, c. 

Визначення вектору параметрів Z проводиться в наступній послідовності: 1) розрахунок вектору початкових наближень Z(0) (7); 2) розрахунок режиму пуску АЕД з КЗР за системою ДР, що описує ЕЗС (рис.2) на ПЕОМ; 3) порівняння експериментальних і розрахованих значень при використанні напруги статора, що була в експерименті; 4) мінімізація чисельним методом цільової функції Fmin(Z) за (6) і визначення вектору параметрів Z; 5) циклічне повторення розрахунку до моменту досягнення задовільної точності.

Для розрахунку початкових наближень вектору Z(0) рекомендується використовувати метод визначення параметрів ЕЗС за даними каталогу.

Опір обмотки статора RS вимірюється на відключеному від мережі АЕД, а параметри XσS і Xμ визначаються з режиму неробочого ходу загальновідомими методами. Після визначення параметрів двоконтурної ЕЗС, що приведена на рис.2, виконується розрахунок параметрів контуру втрат у сталі (XμN, XσFE, RFE) для двоконтурної ЕЗС (рис. 1) за (1). З метою скорочення витрат машинного часу і підвищення чисельної стійкості систем нелінійних рівнянь, що розв'язуються, доцільно використовувати замість фазних струмів статора модуль узагальненого вектору струму статора (8).

                                                 .                                           (8)

Замінивши в цільовій функції інтегрування сумою квадратів різниць векторів на обраних інтервалах дискретизації, представимо її як

   .    (9)

Для усунення труднощів, що пов'язані з реєстрацією кута повороту ротора і визначення момента опору механізму Мс,  а також махового момента агрегату запропоновано визначати параметри ЕЗС АЕД з режиму короткочасної подачі зниженої або повної трифазної напруги на статор при загальмованому роторі.

Температурно-залежну характеристику опору короткозамкненого ротора можливо отримати з різних теплових станів машини в режимах пуску, подачі на статор напруги різної частоти та ін.

Працездатність розробленого методу визначення параметрів ЕЗС експериментально  перевірена  на  прикладі  АЕД  серії  ВАО  (PНОМ = 5,5 кВт; UНОМ =

= 0,66 кВ), який підключався до мережі 380 В при загальмованому роторі. На основі проведених експериментів для даного АЕД запропонованим методом були  отримані  параметри   (у в.о.)  двоконтурної  ЕЗС  з  контуром  втрат   у  сталі

(RS =0,022;  XσS = 0,089;  XμN =2,602; RFE =10,539;  XσFE =21,389; RR1 =0,019; XσR1 =

= 0,109; RR2 =0,298; XσR2 =0,214).

У третьому розділі «Математична модель захисту від теплового перевантаження короткозамкненого ротора асинхронного електродвигуна на основі контролю параметрів поточного режиму» проведений детальний аналіз впливу температури нагріву і явища витіснення струму на пускові і робочі характеристики АЕД з КЗР, запропоновані чотири можливих варіанти побудови ТЗР на основі контролю параметрів поточного режиму. З використанням ММ, що заснована на повних ДР, вироблений порівняльний аналіз розроблених алгоритмів ТЗР в різних режимах.

Дослідження впливу нагріву КЗР на пускові і робочі характеристики глибокопазних АЕД виконані з використанням одноконтурної і двоконтурної ЕЗС (рис.1). Для одноконтурної схеми для урахування скін-ефекту згідно літератури застосовуємо вирази (10) (для потужних АЕД опір пазової частини обмотки КЗР відповідає 80 %, а лобовій 20 % від загального опору).

  (10)

де RR0 , XσR0 – активний і індуктивний опори КЗР при ковзанні s ≈ 0, в.о.; kr(s,V), kx(s,V) – коефіцієнти, що враховують зміну роторних опорів через витіснення струму в роторі при ковзанні  s і залежно від температури нагріву КЗР, в.о.; V = = VR – температура нагріву обмотки ротора АЕД, 0С.

Коефіцієнти kr(s,V), kx(s,V) визначаються за (11). Для двоконтурної ЕЗС застосовуємо залежність повного сумарного опору контурів короткозамкненого ротора від ковзання і температури нагріву (12).

(11)

де ζ(s,V) – зведена висота стрижня КЗР, в.о., μ0 = 4π∙10-7питома магнітна проникність повітря, Гн/м; аширина пазу, м; b – ширина провідника, м; h – висота провідника, м; f1частота напруги мережі, Гц; ρ(V) –залежність питомого опору провідника від температури, Ом·м; αтемпературний коефіцієнт, 1/0С.

           (12)

Розраховані залежності коефіцієнтів kr і kx від ковзання s і температури V представлені на рис.3. З нього виходить, що при збільшенні температури спостерігається ослаблення ефекту витіснення струму в КЗР, а отже, погіршення пуско-вих характеристик двигуна.  На  прикладі  АЕД  серії  АВ  (PНОМ =  630  кВт; UНОМ = 6 кВ) порівнюємо два підходи розрахунку пускових і робочих характеристик залежно від температури КЗР. Параметри заступних схем АЕД були розраховані на основі даних каталогу за запропонованим методом для робочої температури 750С.

На рис. 4 представлені залежності опорів ротора від ковзання для температури 750С, що розраховані з використанням одноконтурної і двоконтурної ЕЗС. З рис.4 видно, що залежності RR(s,V) і XσR(s,V) АЕД серії АВ при робочій температурі 750С співпадають в обох підходах. При цьому, моменти і струми, що розраховані для цих ЕЗС для одиничного (s = 1), критичного (s = sКР) і номінального (s = sНОМ) ковзань, співпадають.

Розрахунковим шляхом було встановлено, що ефект витіснення струму залежить від температури нагріву ротора, що підтверджується залежностями коефіцієнтів kr(s,) і kx(s,) (рис. 3). Як видно з рис. 3, збільшення температури призводить до ослаблення ефекту витіснення струму, що позначається на зменшенні активного опору КЗР у , але з другого боку опір збільшується пропорційно ρ(V), а тому результуюче його значення зростає лише у . Відзначимо також, що при цьому індуктивний опір КЗР АЕД збільшуватиметься.

Розраховані для робочої (750С) і гранично допустимій температурі (3000С) залежності опорів КЗР від ковзання показані на рис. 5.  Для  оцінки впливу вказаних відхилень опорів на пускові і робочі характери-тики АЕД були розраховані залежності момента і струму статора від ковзання і температури нагріву (рис.6) для одноконтурної ЕЗС. Як видно з рис. 6, при збільшенні температури КЗР момент збільшується, а струм статора зменшується. В області робочих ковзань характеристики підвищення температури призводить до збільшення ковзання.

З проведеного аналізу випливає, що при проектуванні ТЗР потужних АЕД скін-ефект необхідно враховувати не тільки для області пускових ковзань, але і для робочих.

У даному розділі запропоновано чотири варіанти ТЗР АЕД, що засновані на контролі параметрів поточного режиму, кожний з яких базується на трьох ЕЗС. Ідея методу, на якому базується захист, полягає в визначенні температурно-залежної складової опору КЗР на основі замірів миттєвих значень фазних струмів і напруг, а також ковзання. Поточне значення температури нагріву визначається на основі порівняння вимірюваного активного опору ротора з відомим опором, який попередньо знайдений з використанням залежності від ковзання для початкової температури холодного стану машини.

Для електродвигунів з незначним проявом ефекту витіснення струму в КЗР доцільне застосовування одноконтурної ЕЗС без його урахування. Інакше використовуються або одноконтурна заступна схема з урахуванням скін-ефекту або двоконтурна (рис.1).

ТЗР АЕД на основі контролю параметрів поточного режиму передбачає його адаптацію під мікропроцесорні системи РЗіА, що працюють у реальному часі. Тому всі вимірювальні і обчислювальні операції виконуються за один такт реального часу. Дискретність даного такту залежить в свою чергу від частоти аналогово-цифрових перетворювачів (АЦП). Коректна робота цифрового ТЗР включає обов'язкове проведення попередніх операцій, результати яких заносяться в постійний запам’ятовуючий пристрій термінала (ПЗП). До попередніх операцій відносяться: визначення параметрів ЕЗС АЕД з КЗР і кабелю живлення (RКБ, XКБ); вимірювання початкової температури холодного стану обмоток статора і КЗР (); вимірювання опору КЗР в початковому стані (RRпоч) для відомого ковзання s і початкової температури холодного стану ().

Першим підходом є ТЗР на основі алгебраїчних рівнянь (АР), що описують АЕД. Послідовність операцій, що виконуються мікроконтролером за один такт (всі величини у в.о.) за даним алгоритмом, показана на рис. 7.

Рис.7. Послідовність операцій за один такт роботи мікроконтролера

ТЗР на основі АР, що описують АЕД

Залежно від вживаної в ТЗР ЕЗС змінюється визначення опорів КЗР, що залежать від урахування явища витіснення струму. При застосуванні однокон-турної ЕЗС з контуром втрат у сталі і без урахування скін-ефекту активний опір КЗР в початковому (холодному) стані розраховується як RRпоч(s) = RR. У разі застосування одноконтурної ЕЗС з урахуванням скін-ефекту (рис.1) опір у холодному стані визначається за функціональною залежністю RRпоч(s) для поточного значення ковзання s, котра може бути отримана з додаткових експериментів і повинна задаватися і зберігатися в ПЗП термінала у табличному вигляді або у вигляді поліному. Для спрощення розрахунку RRпоч(s) замість використання складних виразів (10) з метою скорочення обсягу обчислень можливо застосовування лінійних залежностей опорів КЗР від ковзання (13).

                                                         (13)

де ,,, – активний і індуктивний опори КЗР при s = 1 і при sНОМ.

При використанні двоконтурної ЕЗС для спрощення розрахунків в роботі запропоновано визначати температуру КЗР АЕД в аналогічній одноконтурним схемам послідовності (рис.7), шляхом порівняння активного опору ротора в гарячому і холодному станах. Початковий опір ротора є сумарним опором двох контурів і коригується залежно від температури (RRпоч(s,VR)).

Другим варіантом побудови ТЗР є захист на основі АР, що описують АЕД з використанням цифрової фільтрації вхідних величин. Цифрова фільтрація виконується в даному ТЗР на основі виділення першої гармоніки з використанням фільтру Фур’є. Активна і реактивна складові фільтрованої величини Х розраховуються за (14) залежно від кількості значень N, що заміряні за період T.

                 (14)

де N – кількість точок вимірів, що використовуються у фільтрації; Х – значення фільтрованої величини (фазний струм або напруга).

На основі амплітудних значень (IM, UM), що розраховуються за (15), визначаються діючі значення фазних струмів (IA, IB, IC) і напруг (UA, UB, UC). Формований масив розрахованих величин використовується в подальших обчислювальних операціях ТЗР з дискретністю кроку розрахунку h = T/N. Послідовність цих операцій (попередні операції і операції, що виконуються за один такт) даного ТЗР аналогічна попередньому підходу (див. рис.7 пункти 5-7). Відмінність полягає у обчисленні вхідних опорів АЕД, які визначаються за (16).

                                                            (15)

де IA, UA, IР, UР – активні і реактивні складові фазного струму і напруги, які  розраховуються за (14).

            (16)

                          (17)

Третім варіантом ТЗР є захист, який заснований на використанні ДР, що описують АЕД. На відміну від раніш викладених варіантів для підвищення точності вимірювання температури ротора в динамічних режимах запропоновано визначати опір КЗР шляхом розв’язання  інтегро-диференційних рівнянь АЕД, що описують його стан на основі використання ЕЗС (рис. 1.). З цією метою додатково виконується вимірювання похідних струмів статора за допомогою трансреакторів або за допомогою чисельного диференціювання миттєвих значень фазних струмів. Попередні операції для даного ТЗР аналогічні раніш викладеним підходам. Операції, що виконуються мікроконтролером за один такт, показані на рис.8.

Четвертий варіант побудови ТЗР адаптований для роботи при несиметрії напруги живлення і заснований на обчисленні за даними вимірювання параметрів поточного режиму середніх значень потужності ПП (Р1) і модулів узагальнених векторів струму і напруги ПП (I1, U1) за (18), (19), на основі яких, за (20) розраховуються вхідні опори ПП АЕД. Всі  інші  операції  аналогічні   послі-

довності ТЗР на основі АР, що представлена на рис.7 (пункти 5-7).

                                       (18)

                  (19)

де   iα = iа,  uα = uа,   – активні складові струмів і

напруг статора в осях α, β; iα.n, iβ.n, uα.n, uβ.nреактивні складові струмів і напруг статора в осях α, β, які одержуємо за даними реєстрації початкових параметрів для моментів часу, що зсунуті по відношенню до початкових на чверть періоду (T) промислової частоти (t+ ¼T).

                                                   (20)

Рис.8. Послідовність операцій за один такт мікроконтролера ТЗР, який заснований на використанні ДР, що описують АЕД

Для оцінки правильності розроблених в роботі ТЗР АЕД за допомогою ММ на ПЕОМ зроблено порівняльний аналіз для різних режимів (пуск і накид навантаження, що наступає за ним, заклинювання валу та ін.). В процесі моделювання за розрахованими даними теплових втрат визначалася за (21) температура ротора (VR*), яка в даному випадку приймалася як закон зміни температури. У функції від VR* змінювалися активний опір КЗР (для двоконтурної ЕЗС АЕД:  для одноконтурної ЕЗС (21): ).

                                            (21)

де М – розрахункове значення  електромагнітного момента на валу; s – поточне значення ковзання; Та – постійна часу агрегату, с; t – час, с.

Як  приклад,  на рис. 9  показані  результати  визначення  температури на-

гріву КЗР АЕД (ДАЗО-450Х-6У1, 500 кВт, 6 кВ) в режимах пуску і накиду навантаження. Збіг знайденої за викладеними методами температури короткозамкненого ротора VR з VR* підтверджує правильність ТЗР, що запропоновані в роботі. Довірчий інтервал з вірогідністю 0,95 складає ±5%.

У четвертому розділі «Мо-дернізація і оптимізація алгоритмів релейного захисту і автоматики асинхронного електродвигуна з короткозамкненим ротором для цифрової платформи» детально розглянуті основні захисти АЕД, що використовуються в мікропроцесорних термі-налах. Для підтвердження неефективності стандартного захисту від перевантаження струмом статора (СЗП) був вироблений аналіз на ММ (ДР (2)). Як приклад, приведена робота СЗП, що запрограмований у терміналі типу РЕЛСіС® РДЦ-01  (ВАТ «Електротехнічний завод»). В результаті проведеного аналізу встановлено, що СЗП буде працювати коректно далеко не в усіх анормальних і аварійних режимах (два пуски, що слідують підряд, пошкодження системи охолодження та ін.).

Для усунення виявлених недоліків СЗП в роботі запропонована модернізація у вигляді контролю енергії втрат, що виділяється в режимах перевантаження. Час спрацьовування СЗП у такому разі залежить від величини перевантаження по струму і енергії, яка виділяється в АЕД за час пуску під навантаженням. Величина, що пропорційна цієї енергії, визначається за (22).

                                                                                                          (22)

де i(t) – струм статора при пуску АЕД, А; kЗ – коефіцієнт запасу, що рівний 1,2 -1,5; tПУСК – час пуску АЕД з КЗР під навантаженням, с.

Час допустимого перевантаження АЕД буде рівний часу, за який величина Q(t), що інтегрується мікроконтролером, досягне допустимого значення QДОП.

Порівняння поточного значення Q(t) з допустимим QДОП виконується програмно за (23).

                                                         (23)

де  i(t)  –  струм  статора,  А;  IСП.ЗП  –  струм  спрацьовування  СЗП  (уставка),  А;

tПЕРЕВ – час перевантаження АЕД, с.

 У п'ятому розділі «Результати експериментальної перевірки теплового захисту короткозамкненого ротора асинхронного електродвигуна» викладено принципи побудови цифрових пристроїв РЗіА, викладений опис експериментального стенду для аналізу РЗіА АЕД з КЗР, який був розроблений, наведені результати експериментального дослідження працездатності розробленого ТЗР АЕД в різних режимах роботи. Також приведені результати перевірки працездатності ТЗР АЕД, що виконувалися при його впровадженні на Зуївській ТЕС ТОВ «Східенерго» і в інституті УкрНДІВЕ. В результаті проведення експериментальних досліджень АЕД типу ЭКВ4-200В (200 кВт, 1,14 кВ) в інституті УкрНДІВЕ на основі запропонованого методу за даними зафіксованих параметрів поточного режиму визначалися значення температури нагріву КЗР в номінальному режимі. При роботі з номінальним навантаженням протягом двох годин температура КЗР склала 145 0С. При реєстрації в цьому режимі струмів, напруг і ковзання значення температури нагріву КЗР досягло уставки спрацьовування ТЗР (1400С) і був отриманий вихідний сигнал, що підтверджує працездатність розробленого захисту. Запропонований метод непрямого визначення температури КЗР рекомендовано включити до ГОСТ 7217-87 «Машини електричні обертові. Двигуни асинхронні. Методи випробувань», а розроблений ТЗР для потужних АЕД системи власних потреб електростанцій. Достовірність результатів роботи забезпечена задовільним збігом (з розбіжністю до 7%) експериментальних даних з результатами математичного моделювання.

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі дано нове рішення актуального науково-технічного завдання розробки теплового захисту короткозамкненого ротора асинхронного електродвигуна на основі безконтактного виміру активного опору ротора за даними контролю параметрів поточного режиму, що дозволяє підвищити надійність системи власних потреб електростанцій.

1. Удосконалена ЕЗС АЕД з КЗР для використання у тепловому захисті ротора, в якій виділено контур втрат у сталі з активно-індуктивним опором, а активний і індуктивний опори ротора представлені як функціональні залежності від ковзання і температури нагріву. Це дозволило підвищити точність врахування втрат і визначення температури нагріву ротора.

2. Розроблені принципи побудови теплового захисту ротора, що заснований на безконтактному виміру активного опору ротора заданими вимірювання миттєвих значень фазних струмів і напруг, ковзання і визначення на їх основі вхідного опору з використанням відомих опорів статора і гілки намагнічування. Дослідження функціонування ТЗР виконані за допомогою комбінованої математичної моделі АЕД і захисту. Головною особливістю даного захисту є виділення температурно-залежної складової опору з активного опору шляхом виключення впливу ефекту витіснення струму в роторі на цей опір.

3.  На математичній моделі отримано збіг температури нагріву ротора, характер зміни якої був заданий заздалегідь, з температурою вимірювального органу ТЗР протягом всього режиму пуску, різних навантажень і ковзання.

4. Для підвищення точності викладені варіанти побудови теплового захисту КЗР на основі цифрової фільтрації вхідних величин, додатковому обчислені похідних струмів статора, виділені струмів і напруг прямої послідовності.

5. Проведені експериментальні дослідження на реальному АЕД теплового захисту КЗР і розроблені рекомендації щодо його впровадження. Результати роботи впроваджені на Зуївській ТЕС ТОВ «Східенерго», в інституті УкрНДІВЕ і в навчальному процесі ДонНТУ. На основі проведення приймально-здавальних випробувань АЕД типу ЭКВ4-200В рекомендовано включити розроблений метод непрямого виміру температури короткозамкненого ротора до ГОСТ 7217-87 «Машини електричні обертові. Двигуни асинхронні. Методи випробувань».

ПУБЛІКАЦІЇ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Сивокобыленко В.Ф. Синтез параметров схемы замещения асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором / В.Ф. Сивокобыленко С.Н. Тка-ченко, П.А. Харченко // Збірник наукових праць ДВНЗ «Донецький національний технічний університет». Серія «Електротехніка і енергетика». – випуск 5 (112). – Донецьк, 2006. – С. 5 – 10.

2. Сивокобыленко В.Ф. Математическое моделирование характеристик асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором с учётом потерь в стали / В.Ф. Сивокобыленко, С.Н. Ткаченко // Збірник наукових праць ДВНЗ «Донецький  національний  технічний   університет».   Серія   «Електротехніка   і

енергетика». – випуск 7 (128). – Донецьк, 2007. – С. 126 – 131.

3. Сивокобыленко В.Ф. Влияние температуры нагрева ротора на рабочие и пусковые характеристики глубокопазного асинхронного двигателя / В.Ф. Сивокобыленко, С.Н. Ткаченко // Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету імені М. Остроградського. – Випуск 3(44). – частина 2. – Кременчук, 2007. – С. 8 – 11.

4. Сивокобыленко В.Ф. Моделирование микропроцессорной тепловой защиты асинхронного электродвигателя / В.Ф. Сивокобыленко, С.Н. Ткаченко // Вісник національного університету «Львівська політехніка». «Електроенерге-тичні та електромеханічні системи». – № 596. – Львів, 2007. – С. 167 – 172.

5. Сивокобыленко В.Ф. Микропроцессорная защита от тепловой перегрузки асинхронного электродвигателя / В.Ф. Сивокобыленко, С.Н. Ткаченко // Науково-прикладний журнал «Технічна електродинаміка». Тематичний випуск «Проблеми сучасної енергетики». Інститут електродинаміки, Національна академія наук України. – Частина 1. – Київ, 2008. – С. 47 – 52.

6. Сивокобыленко В.Ф. Контроль нагрева асинхронного электродвигателя по данным измерений параметров текущего режима / В.Ф. Сивокобыленко, С.Н. Ткаченко // Вісник Національного технічного університету «Харківський політехнічний інститут». – Харків, 2008 – № 30. – С. 544 – 546.

7. Сивокобыленко В.Ф. Способы реализации тепловой защиты асинхронных электродвигателей, основанной на измерении входных сопротивлений / В.Ф. Сивокобыленко, С.Н. Ткаченко // Збірник наукових праць ДВНЗ «Донецький національний технічний університет». Серія «Електротехніка і енергетика». – випуск 8 (140). – Донецьк, 2008. – С. 13 – 18.

8. Сивокобыленко В.Ф. Тепловая защита асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором при несимметрии питающего напряжения / В.Ф. Сивокобыленко, С.Н. Ткаченко // Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету імені М. Остроградського. – Випуск 3/2009 (56). – частина 2. – Кременчук, 2009. – С. 74 – 78.

9. Сивокобыленко В.Ф. Моделирование алгоритма тепловой защиты короткозамкнутого ротора асинхронного электродвигателя / В.Ф. Сивокобыленко, С.Н. Ткаченко // Вісник національного університету «Львівська політехніка». «Електроенергетичні та електромеханічні системи». – № 654. – Львів, 2009. – С. 203 – 209.

10. Пат. 27710, Україна, МПК7 Н02K 15/00 G01R 31/34. Спосіб захисту асинхронного електродвигуна з короткозамкненим ротором від теплового перевантаження / В.Ф. Сивокобиленко, С.М. Ткаченко; заявник і правовласник ДВНЗ «Донецький національний технічний університет». – № u200707644; заява 06.07.2007; опубл. 12.11.2007.

11. Пат. 45151, Україна, МПК7 Н02K 15/00 G01R 31/34. Спосіб захисту асинхронного електродвигуна з короткозамкненим ротором від теплового перевантаження / В.Ф. Сивокобиленко, С.М. Ткаченко; заявник і правовласник ДВНЗ «Донецький національний технічний університет». – № u200905521; заява 01.06.2009; опубл. 26.10.2009.

12. Сивокобыленко В.Ф. О микропроцессорной релейной защите асинхронных электродвигателей / В.Ф. Сивокобыленко, С.Н. Ткаченко // Науковий журнал «Праці Луганського відділення Міжнародної Академії інформатизації». СНУ ім. В.Даля. – №2 (15). – Част.1. – Луганськ, 2007. – С. 123 – 127.

Особистий внесок автора в роботах, що опубліковані у співавторстві: у [1]  -  розробка  комп'ютерної програми,  проведення експериментальних  дослід-

жень; у [2, 3, 5] - отримання аналітичних виразів, розробка математичної моделі і комп'ютерної програми, проведення розрахунків; у [4, 6-8, 10, 11] - розробка математичної моделі і програми теплового захисту короткозамкненого ротору АЕД, проведення розрахунків і досліджень; у [12] - розробка комп'ютерної програми, проведення порівняльного аналізу; у [9] - розробка математичної моделі і комп'ютерної програми, проведення експериментальних досліджень.

АНОТАЦІЯ

Ткаченко С.М. «Тепловий захист короткозамкненого ротора асинхронного електродвигуна на основі контролю параметрів поточного режиму» Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.14.02 - «Електричні станції, мережі і системи». ДВНЗ «Донецький національний технічний університет», Донецьк, 2010.

Дисертаційна робота присвячена вирішенню актуального науково-технічного завдання створення теплового захисту короткозамкненого ротора асинхронного електродвигуна на основі контролю параметрів поточного режиму, який придатний для потужних машин системи власних потреб електростанцій з проявленням витіснення струму в обмотці роторі.

Вперше для асинхронних електродвигунів з суттєвим проявленням ефекту витіснення струму в короткозамкненому роторі запропонований метод непрямого виміру температури нагріву ротора по температурно-залежній складовій його активного опору, яка визначається за даними замірів миттєвих значень фазних струмів і наруг, ковзання та відомій залежності активного опору ротора від ковзання для температури холодного стану. Удосконалено еквівалентну заступну схему для теплового захисту ротора, яка відрізняється виділенням окремого активно-індуктивного контуру для врахування втрат у сталі, представленням опорів ротора функціональними залежностями не тільки від ковзання, а і від температури. Встановлено, що в динамічних режимах електродвигуна додаткове вимірювання похідних струмів статора дозволяє підвищити точність непрямого визначення температури нагріву ротора шляхом врахування додаткових втрат із диференційно-інтегральних рівнянь контурів статора і ротора. Для виключення похибок при несиметрії напруги живлення розвинуто метод непрямого виміру температури нагріву ротора за рахунок визначення вхідного опору за струмами і напругами прямої послідовності.

Ключові слова: асинхронний електродвигун, короткозамкнений ротор, тепловий захист ротора, параметри поточного режиму, ефект витіснення струму.

ANNOTATION

Tkachenko S.N.  «The thermal protection of induction motor's cage rotor, based on the current regime parameters control»Manuscript.

Thesis for the degree of technical sciences candidate, specialty 05.14.02 – «Power plants, networks and systems» SHEI «Donetsk National Technical University», Donetsk, 2010.

The dissertation is devoted to solving important scientific and technological problem of creating the thermal protection for induction motor cage rotor on the base of  current regime parameters control. The protection is suitable for high-power machines with the presence of current skin-effect in the rotor, which are installed in power plants' auxiliary systems.

We introduce the new method of rotor temperature indirect measurement for the induction motors with the skin-effect in a squirrel cage rotor, on the base of the temperature-dependent component of its resistance, which is determined according to the measured instantaneous values of phase currents and voltages, rotor slip and by well-known dependence of rotor resistance from slip value for the cold state temperature. We have improved the equivalent circuit for the rotor thermal protection, which is differences by allocation of individual active-inductive circuit to evaluate losses in the steel, and by formulating the rotor resistance as functions, which depends not only on the slip, but also on the temperature. We have established that in the dynamic motor operation state, an extra measurement of the stator currents derivatives can improve the accuracy of indirect determination of the rotor temperature by allowing additional losses in the differential-integral equations of the stator and rotor contours. To eliminate the errors of the voltage unbalance, the indirect measurement method of the rotor heating temperature has been further developed by determining the input resistance from the positive sequence currents and voltages.

Keywords: induction motor, squirrel cage rotor, rotor thermal protection, parameters of the current regime, the skin-effect of current.

АННОТАЦИЯ

Ткаченко С.Н. «Тепловая защита короткозамкнутого ротора асинхронного электродвигателя на основе контроля параметров текущего режима». – Рукопись.

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук по специальности 05.14.02 – «Электрические станции, сети и системы». ГВУЗ «Донецкий национальный технический университет», Донецк, 2010.

Диссертационная работа посвящена решению актуальной научно-технической задачи создания тепловой защиты короткозамкнутого ротора асинхронного электродвигателя на основе контроля параметров текущего режима, пригодной для крупных машин с проявлением вытеснения тока в обмотке ротора.

На основе проведенного анализа для тепловой защиты короткозамкнутого ротора принята эквивалентная схема замещения асинхронного электродвигателя, которая усовершенствована в работе путём выделения отдельного активно-индуктивного контура для учёта потерь в стали и представления активного и индуктивного сопротивлений ротора функциональными зависимостями не только от скольжения, а и от температуры нагрева. Это позволило повысить точность учёта потерь и определения температуры нагрева ротора. Усовершенствован метод определения параметров схем замещения асинхронных электродвигателей на основе известных каталожных данных. Сравнение результатов математического моделирования по предложенному методу, а также по некоторым известным показало, что данный метод не имеет погрешности в расчётах токов и моментов, тогда когда в других известных присутствуют существенные отклонения. Показано, что в динамических режимах потери в стали более предпочтительно учитывать с помощью отдельного активно- индуктивного короткозамкнутого контура с общей взаимной индуктивностью. Усовершенствован метод определения параметров схем замещения на основе экспериментальных данных, в котором температурно-зависимая составляющая сопротивления ротора определяется из различных тепловых режимов.

Проведен анализ влияния температуры нагрева ротора на пусковые и рабочие характеристики асинхронного электродвигателя с проявлением эффекта вытеснения тока в роторе, на основе которого установлено, что увеличение температуры сказывается на ослаблении скин-эффекта, но при этом активное сопротивление ротора все же возрастает пропорционально квадратному корню от удельного сопротивления, являющегося функцией от температуры. Проведенным анализом установлено, что скин-эффект оказывает значительное влияние на температуру нагрева короткозамкнутого ротора.

Впервые для асинхронных электродвигателей с существенным проявлением эффекта вытеснения тока в обмотке короткозамкнутого ротора предложен метод косвенного измерения температуры нагрева ротора по температурно-зависимой составляющей его активного сопротивления определяемой по данным замеров мгновенных значений фазных токов и напряжений, скольжения и известной зависимости активного сопротивления ротора от скольжения для температуры холодного состояния. Данный метод является основой разработанной в работе тепловой защиты короткозамкнутого ротора асинхронного электродвигателя на основе контроля параметров текущего режима.

Разработанный метод косвенного определения температуры нагрева обмотки короткозамкнутого ротора усовершенствован за счёт дополнительного измерения производных токов статора, с помощью которых из дифференциально-интегральных уравнений контуров статора и ротора вычисляется температурно-зависимая составляющая активного сопротивления ротора. Этот метод позволяет повысить точность косвенного определения температуры, и рекомендован для машин, работающих в динамических режимах.

С целью исключения погрешности, вызываемой несимметрией питающего напряжения, в методе косвенного измерения температуры нагрева ротора предложено определять входные сопротивления асинхронного электродвигателя по данным вычислений токов и напряжений прямой последовательности.

Разработанная тепловая защита короткозамкнутого ротора асинхронного электродвигателя позволяет осуществить защиту крупных машин системы собственных нужд электростанций и промышленных предприятий, в которых существенно проявляется явление эффекта вытеснения тока в роторе.

Для проверки работоспособности разработанной тепловой защиты короткозамкнутого ротора была разработана математическая модель, включающая как модель самого асинхронного электродвигателя с учётом вытеснения тока в обмотке роторе, основанная на полных дифференциальных уравнениях, так и модель тепловой защиты. С использованием указанной  модели на ПЭВМ, а также на экспериментальном стенде были проведены исследования предложенной защиты для различных режимов работы, подтверждающие её эффективность.

Практическая ценность и эффективность диссертационной работы подтверждается внедрением её результатов в промышленности. Результаты работы внедрены в виде методики «Экспериментальное определение температуры нагрева короткозамкнутого ротора асинхронного электродвигателя на основе контроля параметров текущего режима» на Зуевской ТЭС ООО «Востокэнерго» и методики «Способ определения температуры нагрева обмотки короткозамкнутого ротора и параметров схемы замещения асинхронного электродвигателя при проведении приёмо-сдаточных испытаний» в институте УкрНИИВЭ. На основе проведенных приёмо-сдаточных испытаний электродвигателя типа ЭКВ4-200В рекомендовано включить метод косвенного измерения температуры нагрева короткозамкнутого ротора в ГОСТ 7217-87.  

Программно-аппаратный лабораторный комплекс используются в учебном процессе ГВУЗ «Донецкий национальный технический университет».

Ключевые слова: асинхронный электродвигатель, короткозамкнутый ротор, тепловая защита ротора, параметры текущего режима, эффект вытеснения тока.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

45730. Общественное мнение: понятие, диагностика, технологии формирования. Диагностика общественного мнения: цели, подходы, методики измерения 40 KB
  Общественное мнение: понятие диагностика технологии формирования. ОМ при этом вступает как совокупное мнение соответствующего субъекта имеющее внутр. Программы деятсти субъектов ПР нацелены на: убедить людей изменить своё мнение; сформировать ОМ когда его нет; усилить существующее ОМ. Характерные признаки ОМ: Направленность – преобладающее установившееся мнение за и против к опред.
45734. Ю. Хабермас. Моральное сознание и коммуникативное действие 38 KB
  Действия в этих мирах выражаются в языке. Теория коммуникативного действия: центром усилий Хабермаса различение противопоставление инструментального и коммуникативного действия. Воплощение инструментального действия сфера труда. При совершении инструментального действия реализуются определенные цели осуществляются предсказания касающиеся последствий данного действия.
45735. Хайдеггер. Бытие и время 47 KB
  Бытие и время. Бытиевмире вообще как основоустройство присутствия Гл. Бытиевмире как событие и бытие самости. Бытиев как таковое Гл.
45736. Диалектика просвещения. Философские фрагменты 23 KB
  В книге описывается саморазрушение просвещения и его возвращение к мифологии с которой оно боролось столетиями. Первый называется Понятие просвещения.
45737. Философические письма 42.5 KB
  Окидывая взглядом историю России Чаадаев обнаруживает в ней мрачное и тусклое существование где нет внутреннего развития. Чаадаев противник идеи множественности цивилизаций ибо неевропейские формы быта он рассматривает как нелепые отступления . Смысл же России Чаадаев видит в следующем: Мы жили и сейчас еще живем для того чтобы преподать какойто великий урок отдаленным потомкам Последующие письма Во втором письме Чаадаев подвергает критике православие за то что оно в отличие от западного христианства не способствовало освобождению...
45738. Шелер. Положение человека в космосе 37.5 KB
  Положение человека в космосе. Макс Шелер 18741928 Очерк Положение человека в космосе рассуждение о богоподобии человека. антроплогия имеет предметом определение человека его места. Сущность человека – переход от животного к божественному.