Содержание к диссертации
Введение
1 Обзор литературы, выводы, направление работы 12
1.1 Обзор литературы 12
1.2 Выводы 33
1.3 Анализ основных работ в избранном направлении 3 5
1.4 Научная концепция решения проблемы 36
2 Основы теории устройств защиты 38
2.1 Устройства защиты с одной контролируемой величиной 3 8
2.1.1 Блок-схема, уравнения срабатывания и возврата 3 8
2.1.2 Показатели измерительных свойств (определения) 42
2.1.3 Показатели измерительных свойств устройств максимальной токовой защиты с линейным преобразованием контролируемой величины 45
2.1.4 Показатели измерительных свойств МТЗ с нелинейным преобразованием тока 51
2.2 Устройства зашиты с двумя контролируемыми величинами 56
2.2.1 Вводные замечания 56
2.2.2 Уравнения срабатывания и возврата, области и характеристики устройств защиты 57
2.2.3 Режимы срабатывания УЗ с двумя контролируемыми величинами 58
2.2.4 Дифференциальное уравнение множества линий максимальной чувствительности 59
2.2.5 Устройство с суммированием двух линейно преобразуемых величин 60
2.2.6 Устройство с возведением в квадрат одной величины 63
2.2.7 Устройство с возведением в квадрат двух величин 65
2.3 Электротепловые устройства защиты 68
2.3.1 Состояние и перспективы развития 68
2.3.2 Классификация реле. Системы дифференциальных уравнений в исходном и общем виде. 69
2.3.3 Распределение и накопление энергии в реле 70
2.3.4 Устройства защиты с реле первого порядка 71
2.3.4.1 Уравнения срабатывания 71
2.3.4.2 Энергетический КПД и мощность срабатывания реле 75
2.3.4.3 Время-токовые характеристики реле и устройств зашиты 76
2.3.5 Устройства защиты с реле второго порядка 76
2.3.5.1 Уравнения срабатывания 76
2.3.5.2 Время-токовая характеристика 82
2.3.5.3 Определение параметров реле 83
2.3.5.4 Свободный процесс 85
2.3.5.5 Возможность возникновения последствия 86
2.3.5.6 Распределение и накопление энергии в реле второго порядка 89
2.3.6 Использование теории при разработке устройств защиты с реле второго порядка 92
23.6Л Постановка задачи 92
2.3.6.2 Обсуждение подходов к решению задачи 94
3 Преобразователи 99
3.1 Общие замечания 99
3.2 Преобразование дифференциальных уравнений двух электромагнитно связанных контуров и теория трансформатора 100
3.3 Двухобмоточный электромагнит как исполнительный орган бесконтактных устройств защиты 109
3.4 Фильтровые нелинейные преобразователи 118
3.5 О задаче расчета трансреактора 124
3.6 Методика расчета 126
3.7. Пример получения функции преобразования нелинейного преобразователя 135
4 Ненормальные режимы работы асинхронных двигателей и защита от них 142
Исходные положения 142
Известные способы определения сопротивления обратной последовательности асинхронных двигателей 154
Предлагаемый способ 156
Работа двигателя при допустимых показателях качества электрической энергии
Технический ресурс двигателей и чувствительность устройств защиты Симметричная перегрузка по току и превышение расчетного значения
температуры перегрева обмотки статора 178
Классификация ненормальных режимов 179
Внешние факторы, свойства двигателя, граничные характеристики 179
Двухфакторные режимы 181
Трехфакторный режим 200
Четырехфакторный режим 220
Устройства защиты асинхронных двигателей от ненормальных режимов 227
Ток отстройки, показатель отстройки, чувствительность 229
Трехфазное тепловое реле 231
Трехрелейное токовое устройство защиты 232
Устройства защиты с трехфазными сумматорами 233
Трехфазный однорелейный измерительный орган для устройств
зашиты асинхронных двигателей от симметричных и несимметричных
ненормальных режимов 234
Описание и вывод выражения функции преобразования 234
Уравнения срабатывания 236
Обобщенные характеристики токов и потерь мощности в обмотке
статора 239
Анализ действия устройств защиты в несимметричных режимах 243
Устройства с тремя однофазными тепловыми реле и с тремя токовыми 245
реле с нелинейными преобразователями
4.16.4.2 Устройства с двумя однофазными тепловыми реле и с двумя токовыми реле с нелинейными преобразователями токов 247
4.16.4.3 Устройство с трехфазным однорелейным измерительным органом 249
5 Аварийные режимы рабош асинхронных двигателей и защита от них 252
5.1 Вводные замечания 252
5.2 Описание установки для экспериментальных исследований аварийных режимов асинхронных двигателей 252
5.3 Режимы работы двигателя при пробое изоляции одной фазы на корпус 255
5.3.1 Анализ данных эксперимента 256
5.4 Витковые замыкания в обмотках асинхронного двигателя 257
5.4.1 Анализ экспериментальных данных 261
5.4.2 Анализ виткового замыкания с одновременным замыканием на корпус 264
5.5 Равноплечее двухфазное замыкание 268
5.6 Равноплечее двухфазное замыкание с одновременным замыканием на корпус 270
5.6.1 Анализ данных эксперимента 272
5.7 Неравноплечее двухфазное замыкание 273 5.7.1 Анализ данных эксперимента 275
5.8 Неравноплечее двухфазное замыкание с одновременным замыканием на корпус 279
5.9 Устройства защиты, ограничивающие объем повреждения обмотки 283
6 Экономический анализ повышения эффективности защиты асинхронных двигателей 294
6.1 Вводные замечания 294
6.2 Экономическая эффективность защиты асинхронных двигателей от ненормальных режимов работы 295
6.3 Подход к обобщенному экономическому анализу вопроса защиты асинхронных двигателей сельскохозяйственных электроустановок 300
7 Выводы по работе 323
8 Литература
- Анализ основных работ в избранном направлении
- Показатели измерительных свойств устройств максимальной токовой защиты с линейным преобразованием контролируемой величины
- Известные способы определения сопротивления обратной последовательности асинхронных двигателей
- Описание установки для экспериментальных исследований аварийных режимов асинхронных двигателей
Введение к работе
Одним из условий нормального функционирования сельскохозяйственных предприятий является надежная работа электрооборудования. В сферу деятельности специалистов по электротехнологиям и электрооборудованию в сельском хозяйстве входят, главным образом, электродвигатели и другое оборудование, предназначенное для преобразования электрической энергии в другие виды энергий.
Режимы работы асинхронного двигателя, при которых он мгновенно или с некоторой вьщержкой времени должен отключаться от сети, целесообразно разделить на аварийные, требующие мгновенного отключения, и ненормальные, допускающие некоторую выдержку времени. К числу аварийных безусловно относятся режимы, связанные с возникновением различных замыканий в обмотке статора. Остальные режимы, требующие отключения двигателя, могут быть отнесены к ненормальным. Факторами, вызывающими такие режимы, могут являться: перегрузка по моменту, снижение напряжения, несимметрия трехфазного напряжения, обрыв цепи одной фазы.
Специалисты в области электротехнологий и электрооборудования в сельском хозяйстве через научные и конструкторские разработки могут существенно влиять на повышение эффективности защиты асинхронных электродвигателей.
Проблемы эффективной зашиты асинхронных двигателей, работающих в условиях сельскохозяйственного и промышленного производства во многом схожи. Но в промышленности эта проблема возникла значительно раньше и из-за массового использования таких двигателей ощущалась острее. Это нашло отражение в многочисленных публикациях, которые нельзя не учитывать при анализе развития техники и теории защиты асинхронных двигателей.
Главные особенности сельского хозяйства в плане данной проблемы вытекают из значительной протяженности сельских сетей, невысокой их надежности, неудовлетворительных показателей качества электрической энергии, несовершенства технологических процессов и машин, недостатка квалифицированных кадров и измерительной техники, необходимой для контроля состояния и наладки электрооборудования.
Необходимость создания для сельского хозяйства более совершенной техники всех видов, включая технику защиты асинхронных двигателей, хорошо известна. Среди факторов, определяющих темпы создания и эффективности использования новой техники, особое место занимает научное обеспечение, которое в настоящее время применительно к рассматриваемой проблеме, является недостаточным. Из этого вытекают цель и задачи настоящей работы.
Общая характеристика работы. Настоящая работа посвящена проблеме повышения эффективности защиты асинхронных двигателей сельскохозяйственных электроустановок. Известная разница между реальным и расчетным сроками службы электродвигателя в сельском хозяйстве может быть сокращена путем использования более совершенных устройств защиты. Для проведения работ по созданию таких устройств и квалифицированному их использованию необходимо соответствующее научное обеспечение.
Для асинхронных двигателей, работающих в сельскохозяйственных электроустановках, характерен целый ряд простых и сложных, симметричных и несимметричных ненормальных и аварийных режимов. Исходной информацией для совершенствования устройств защиты являются свойства асинхронного двигателя как объекта зашиты во всех названных ненормальных и аварийных режимах работы. То есть свойства устройств защиты должны быть согласованы со свойствами объекта защиты.
Техническая система «асинхронный двигатель - устройство защиты» состоит из двух совместно действующих элементов, предназначенных для самостоятельного выполнения заданных функций. Совместное действие при самостоятельном выполнении заданных функций делает очевидной необходимость создания единой модели этой системы. С помощью такой модели могут быть обоснованно согласованы свойства устройства зашиты со свойствами асинхронного двигателя как объекта защиты. Исследования свойств устройств защиты и асинхронного двигателя как объекта защиты и построение математической модели совместного их действия составляют содержание данной работы.
Она включает в себя четыре отдельных направления:
1) построение основ теории устройств защиты;
элементы теории и проектирования преобразователей;
ненормальные режимы работы асинхронных двигателей и защита от них;
аварийные режимы работы асинхронных двигателей и защита от них.
Но очевидно, что говорить в широком смысле о решении сложной многоплановой проблемы повьппения эффективности защиты асинхронных двигателей сельскохозяйственных электроустановок иначе не представляется возможным.
Методы создания и анализа действия устройств зашиты, учитывающие особенности асинхронного двигателя как объекта защиты, представляют собой знания общего характера. Полное практическое приложение этих знаний не может быть раскрыто в рамках одной работы. Каждое устройство защиты, созданное или исследованное с помощью этих знаний, будет примером их использования. В этом отношении данная работа не является замкнутой на себя. В известной степени она является лишь началом развития техники защиты асинхронных двигателей, основывающемся на прямом использовании теории устройств зашиты и теории асинхронных машин. К сожалению с помощью современной теории асинхронных машин описанию поддаются лишь ненормальные режимы работы асинхронного двигателя. При разработке и исследовании устройств зашиты от аварийных режимов работы приходится прибегать к экспериментальному исследованию двигателя как объекта защиты.
Основная часть работы посвящена построению основ теории устройств защиты и исследованию ненормальных и аварийных режимов работы асинхронных двигателей. Применение полученной теории устройств защиты и результатов исследования режимов работы асинхронных двигателей показано на примерах анализа действия некоторых известных устройств и разработки новых измерительных органов устройств защиты от ненормальных и аварийных режимов работы. Рассмотрение в работе вопросов определения сопротивления обратной последовательности асинхронных двигателей, теории и методов проектирования некоторых преобразователей вызвано недостаточной разработанностью и освещенностью этих вопросов в литературе.
Сопротивление обратной последовательности является одним из основных параметров асинхронного двигателя при его работе в несимметричных режимах.
Представление в теории трансформатора об индуктивностях рассеяния как о величинах, зависящих от некоторого, в общем случае, произвольного числа К, является одним из существенных недостатков этой теории.
В связи с тем, что в предлагаемой теории устройств защиты понятие функции преобразования является одним из основных, в третьей главе показаны примеры получения аналитических выражений функций преобразования одного фильтрового нелинейного преобразователя и одного нефильтрового нелинейного преобразователя.
В современных устройствах защиты в качестве преобразователей тока часто используются трансреакторы. Вопросы их проектирования создают известные трудности при разработке новых устройств защиты. В работе предлагается методика их проектирования.
Цель и задачи исследования. Необходимость повышения эффективности защиты асинхронных двигателей сельскохозяйственных электроустановок является очевидной. Однако при попытке практического решения вопроса обнаруживается сложная многоплановая проблема, связанная с недостаточной изученностью самого асинхронного двигателя как объекта защиты, отсутствием теоретической базы общего характера, позволяющей решать задачи анализа и синтеза различных устройств защиты, отсутствием уравнений, описывающих работу технической системы «асинхронный двигатель - устройство защиты» и измерительных органов с необходимыми функциональными возможностями и чувствительностью. Целью исследования являлось создание базы знаний, необходимых для решения задач, связанных с повышением эффективности зашиты асинхронных двигателей сельскохозяйственных электроустановок. Задачами исследования были:
-разработка общих основ теории устройств защиты;
-исследование сложных ненормальных режимов работы асинхронного двигателя;
-исследование аварийных режимов работы асинхронного двигателя;
-получение уравнений, описывающих работу технической системы «асинхронный двигатель - устройство защиты» и исследование с их помощью поведения устройств защиты при возникновении различных ненормальных и аварийных режимов работы асинхронного двигателя;
-разработка измерительных органов устройств защиты с расширенными функциональными возможностями и повышенной чувствительностью.
Объект и предмет исследования. Объектом исследования являлась совокупность вопросов теории и практики повышения эффективности зашиты асинхронных двигателей сельскохозяйственных электроустановок. Предметами исследования были:
основы общей теории устройств зашиты асинхронных двигателей;
асинхронный двигатель как объект защиты;
преобразователи, используемые в устройствах зашиты;
измерительные органы устройств защиты.
Методика исследований. В работе использовался теоретико — экспериментальный метод исследований, включающий в себя формулирование исходных положений теории, получение и решение уравнений, подготовку и проведение экспериментов, анализ теоретических и экспериментальных результатов.
Научная новизна работы заключается в том, что в ней впервые построены основы теории устройств защиты асинхронных двигателей, исследованы сложные ненормальные режимы работы этих двигателей, получена альтернативная теория трансформатора, экспериментальным путем дополнительно установлены закономерности изменения основных величин при различных видах замыканий в обмотке статора асинхронного двигателя, показана возможность применения предложенной теории к решению задач повышения эффективной защиты асинхронных двигателей сельскохозяйственных электроустановок.
Реализация результатов исследований. По результатам исследований были разработаны и внедрены в производство:
устройство защиты электродвигателей погруженных насосов в хозяйствах Волгоградской области (устройство защищено авторским свидетельством № 1427467)
устройство максимальной токовой защиты повышенной чувствительности на предприятии «Волгоградские областные электрические сети»
Начиная с 1970 года результаты исследований используются студентами ВГСХА в курсовом и дипломном проектировании.
На защиту выносятся:
основные положения теории устройств защиты асинхронных двигателей от ненормальных и аварийных режимов работы
приложения основ теории к исследованию устройств зашиты с одной и двумя контролируемыми величинами
теория и методы проектирования некоторых преобразователей, используемых в устройствах защиты
результаты исследования асинхронного двигателя как объекта защиты
измерительные органы устройств защиты с расширенными функциональными возможностями и повышенной чувствительностью
Апробация работы. Основные результаты работы доложены, обсуждены и одобрены на:
ежегодных научных конференциях профессорско-преподавательского состава Волгоградского сельскохозяйственного института - государственной сельскохозяйственной академии по итогам научно-исследовательской работы в 1966... 1970гг., 1972... 1974гг., 1976...1980гг., 1982... 1984гг., 1986...2002гг.;
всесоюзном совещании по проблемам электроснабжения, эксплуатации и электробезопасности сельских электроустановок, Москва, 1975г.;
- всесоюзном научно - техническом совещании по вопросам реконструкции сельских
электрических сетей, г. Киров, 1977г.;
всесоюзном научно - техническом семинаре «Опыт электрификации сельского хозяйства на основе ускорения научно-технического прогресса», г. Тирасполь, 1987г.;
всесоюзной научно-практической конференции по вопросам механизации и автоматизации технологических процессов в агропромышленном комплексе, г. Новосибирск, 1989г.;
- международной научно-практической конференции по проблемам научного
обеспечения экономической эффективности орошаемого земледелия,
Волгоград, 2001г.
Научно-методическими основами работы являются:
- известные научные знания в области теории и техники релейной защиты
электроустановок;
- современная теория трансформаторов и асинхронных машин и методы анализа их
режимов работы;
- теория и методы решения систем дифференциальных уравнений.
Значительную роль в формировании исходных представлений о проблеме основ теории устройств зашиты и определении содержания исследований сыграли работы отечественных ученых: А.М. Федосеева, Г.И. Атабекова, В.Л. Фабриканта, И.А. Сыромятникова, И.Ф. Бородина, А.М. Мусина и др. Академик РАСХН И.Ф. Бородин являлся научным консультантом по несимметричным режимам работы асинхронных двигателей.
Место выполнения. Работа выполнена в Волгоградской государственной сельскохозяйственной академии на кафедре электроснабжения сельского хозяйства и теоретических основ электротехники и на кафедре автоматизации и релейной зашиты энергетических систем Московского энергетического института. Все экспериментальные исследования выполнялись в лабораториях Волгоградской государственной сельскохозяйственной академии. Испытания разработанных устройств защиты в производственных условиях проводились в хозяйствах Среднеахтубинского района Волгоградской области и на предприятии «Волгоградские областные электрические сети».
Публикации. Основное содержание работы отражено в органе Академии наук СССР журнале «Электричество» № 5 за 1975 г. и № 2 за 1978 г., журнале «Известия ВУЗов», «Электромеханика» № 6 за 1969 г., журнале «Механизация и электрификация сельского хозяйства» № 6 за 1969 г. и № 10 за 2001 г., а также в 25 работах, опубликованных в сборниках трудов ВСХИ-ВГСХА и всесоюзных семинаров, конференций и совещаний.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, выводов по работе. Изложена на 340 страницах, включает 9 таблиц, 109 рисунков и библиографический список из 280 наименований.
Анализ основных работ в избранном направлении
Мировой опыт показывает, что развитие науки и изобретательского творчества является необходимым условием технического прогресса.
Научный подход к решению сложной многоплановой проблемы повышения эффективности защиты асинхронных двигателей должен базироваться на обладающих необходимой полнотой научных знаниях об асинхронном двигателе как объекте защиты, об устройствах его защиты, о технической системе асинхронный двигатель — устройство защиты.
Концепция решения проблемы состоит в объединении методов и результатов исследования ненормальных и аварийных режимов работы асинхронного двигателя, изобретательского творчества и методов анализа и синтеза устройств защиты в единый научно обоснованный метод создания и использования техники защиты асинхронных двигателей сельскохозяйственных электроустановок.
В условиях эксплуатации на нормальную работу преобразовательной цепи (ПЦ) оказывают действие мешающие факторы, влияющие на параметры элементов самой цепи и мешающие факторы электромагнитной природы. В этих условиях, в общем случае, функция преобразования (ФП) является функцией с изменяющимися параметрами, на которую оказывают влияние наводки от внешних электромагнитных полей. yfx,a!(vlf...,vj,..., «,,(v/,...,vj,ft,...,&], (2.1) где х - контролируемая величина; ai,...,a„ - параметры функции преобразования; v;,...,vOT - мешающие факторы, оказывающие влияние на параметры ФП; /,...,& -наводки от внешних электромагнитных полей. При отсутствии мешающих факторов функция преобразования является номинальной и имеет вид: у(х,а1,...у а„). (2.2)
Обтекаемые током звенья схем имеют вход и выход и, в общем случае, могут рассматриваться как преобразователи. Отсутствие преобразователя в устройстве защиты равносильно наличию такового с функцией тождественного преобразования входной величины в выходную.
Каждое устройство защиты, не зависимо от принципа работы и схемы, условно можно представить в виде трех основных частей: преобразовательной цепи, реагирующего органа и вспомогательных устройств. Преобразовательная цепь и реагирующий орган вместе образуют главную часть устройства защиты. Свойства преобразовательной цепи описываются ее функцией преобразования, свойства реагирующего органа - его параметрами, свойства главной части -уравнениями срабатывания и возврата. В этих уравнениях содержится информация о количественных показателях измерительных и функциональных свойств.
Полученный аппарат анализа позволяет определять эти показатели и сравнивать по ним различные устройства. При решении задач, связанных с синтезом УЗ, в общем случае заданными являются желаемые показатели свойств, а искомыми: 1) параметры реагирующего органа; 2) вид и параметры функции преобразования контролируемой величины; 3) преобразовательная цепь.
Для устройств защиты с независимой выдержкой времени, когда последняя превышает время затухания переходных процессов, функция преобразования представляется алгебраическим выражением. Определение параметров реагирующего органа, в этом случае, не представляет затруднений. Задача синтеза сводится к определению вида и параметров функции преобразования и преобразовательной цепи, реализующей эту функцию.
Для УЗ с зависимой выдержкой времени, в общем случае, в качестве оператора преобразования контролируемой величины в выходную, выступает система дифференциальных уравнений.
С позиции изложенного подхода, создание устройства защиты с заданными свойствами, представляет собой решение конкретной научно-технической задачи избранным методом.
Показатели измерительных свойств устройств максимальной токовой защиты с линейным преобразованием контролируемой величины
В настоящем разделе рассматриваются устройства с двумя независимыми контролируемыми величинами. В качестве таких величин, например, могут выступать ток нагрузки и ток утечки через изоляцию обмотки электродвигателя, ток обратной последовательности, обусловленный несимметрией напряжений сети, и ток нагрузки двигателя и др.
Использование нелинейных функций позволяет две независимые величины контролировать одним реагирующим органом. Это определяет особенность теории таких устройств. Реально контролируемые величины изменяются в определенных пределах. Эти пределы в каждом конкретном случае могут быть своими. С целью получения результатов общего значения, в приводимых далее рассуждениях, специальных ограничений на независимые переменные не накладывается.
Уравнения срабатывания и возврата, области и характеристики устройств защиты Подобно защитам с одной контролируемой величиной для устройств защиты с двумя контролируемыми величинами записываются три уравнения срабатывания. Уравнение (2.84) описывает номинальную характеристику срабатывания, уравнения (2.85) и (2.86) - ее граничные реализации. Возврат РО защит с двумя контролируемыми величинами, так же как и срабатывание, в общем случае определяется изменением обеих величин. Номинальная характеристика возврата и ее граничные реализации описываются уравнениями: у(Х„Х2,а1,а2,...,ап) = ув, (2.87) Уа(хі х2 аі а2 -..,а п) = увр, (2.88) yp(X1,X2,af,a;,...,a;) = yie. (2.89) Характеристика отстройки — линия, ограничивающая область режимов от которых защита должна быть отстроена - определяется свойствами защищаемого объекта. Получение точной или приближенной характеристики отстройки представляет собой отдельную проблему, связанную с исследованием режимов работы электроустановок. В настоящей работе эта проблема не рассматривается. Однако можно отметить, что в ряде случаев допустим упрощенный подход, когда можно пользоваться характеристикой отстройки в виде предельного прямоугольника, размеры сторон которого определяются предельными значениями переменных в режимах, не подлежащих отключению.
Область отстройки - область, ограниченная характеристикой отстройки. Область нечувствительности защиты - область, расположенная между характеристиками отстройки и срабатывания. Область срабатывания защиты внешняя область по отношению к характеристике срабатывания.
Режимы срабатывания УЗ с двумя контролируемыми величинами Реальные срабатывания УЗ могут представлять собой переходы с характеристики отстройки на характеристику срабатывания не только по кратчайшим расстояниям. Представим характеристику отстройки предельным прямоугольником, а характеристику срабатывания некоторой кривой, охватывающей его, и выделим на них соответствующие участки (рис.2.6). Будем рассматривать режимы срабатывания при приращениях Д 0. Срабатывания с отрицательным приращением одной из величин так же реальны. Однако их анализ ф. в общем плане, как это делается в настоящем параграфе, существенно новой информации не приносит. При исследовании конкретных устройств защиты такой анализ может оказаться необходимым. Рассмотрим срабатывания УЗ из точек сторон аЪ и be - прямоугольника отстройки рис.2.6. Характеристики и режимы срабатывания
Будем иметь в виду приращения контролируемых величин над допустимыми для них значениями в режиме отстройки. При переходе из любой точки линии аЪ в любую точку участка 12 характеристики срабатывания, (например, из точки т в точку п) приращение получает только величина X2. Значения ее возможных приращений не зависят от положения исходных точек на линии аЪ. Они определяются только расстояниями от точек участка 12 характеристики срабатывания до горизонтали аЪ. При переходе из точки b на участок 23 характеристики срабатывания (исключая вертикаль Ъ2 и горизонталь ЬЗ), приращения получают обе контролируемые величины. При переходе из точек стороны be прямоугольника отстройки в точки участка 23 (например, из точки К в точку Г) характеристики срабатывания, за исключением самих точек 2 и 3, приращения также получают обе контролируемые величины
Известные способы определения сопротивления обратной последовательности асинхронных двигателей
В условиях эксплуатации асинхронные двигатели могут оказываться в различных простых и сложных симметричных и несимметричных ненормальных режимах работы. Основным показателем недопустимости длительной работы в заданном ненормальном режиме является величина суммарных потерь мощности в обмотках. В несимметричных режимах кроме этого должна учитываться величина превышения тока сверх номинального хотя бы в одной из фаз. При суммарных потерях мощности, равных номинальным, интенсивность теплового изнашивания изоляции в этой фазе по данной причине может значительно превышать расчетную. Приводимые в литературе зависимости срока службы изоляции от температуры показывают, что для изоляционных материалов классов нагревостойкости В и Н, при увеличении температуры сверх допустимой, соответственно на 10 и 12 С, срок службы уменьшается в 2 раза.
Необходимость повышения эффективности защиты асинхронных двигателей в сельском хозяйстве не вызывает сомнения. При попытке же перевести вопрос в плоскость его практического решения обнаруживается сложная многоплановая проблема с вопросами, относящимся к устройствам защиты, асинхронному двигателю как объекту защиты, технической системе асинхронный двигатель — устройство защиты.
Большинство отказов асинхронных двигателей связано с возникновением нарушений в работе изоляции обмотки статора. Ее технический ресурс задается расчетным числом часов работы. В нормальных условиях эксплуатации основным фактором, определяющим расходование этого ресурса, является тепловое старение (изнашивание). Повышение эффективности защиты означает уменьшение времени работы двигателей с ускоренным, вызываемым перегреванием, тепловым изнашиванием изоляции. С этой точки зрения идеальное устройство защиты (устройство со стопроцентной эффективностью) — это такое устройство, которое не допускает ускоренного теплового изнашивания.
С учетом того, что устройства защиты от ненормальных режимов имеют большую выдержку времени, практическое значение имеет и вопрос эффективной работы двигателей как преобразователей электрической энергии в механическую. При работе асинхронного двигателя за пределами номинального режима доля электромагнитной мощности, преобразующейся в механическую мощность ротора, уменьшается.
Учитывая, что для асинхронных двигателей характерны различные простые и сложные симметричные и несимметричные ненормальные режимы работы, функциональные возможности устройств защиты должны быть такими, чтобы они были способны отличать любой ненормальный режим от нормального. Однако, не смотря на важность этой способности устройств защиты, решающее значение она приобретает лишь в сочетании с высокой чувствительностью.
Обоснованно решать вопросы повышения эффективности защиты асинхронных двигателей можно только путем получения объективных данных о двигателе как объекте защиты и показателях функциональных возможностей и измерительных свойств устройств защиты. Наиболее общей математической моделью, позволяющей на основе этих данных решать поставленную задачу, является уравнение, описывающее работу технической системы «асинхронный двигатель - устройство защиты», то есть совместную работу асинхронного двигателя с его устройством защиты. Решение этого уравнения в общем случае возможно только численным методом. При этом основной объем работы связан с исследованием работы двигателя во всех возможных ненормальных режимах. Уравнение технической системы «асинхронный двигатель — устройство защиты», как и большинство уравнений технических систем, не имеет однозначного решения. Для получения желаемого решения (выбора одного решения из множества возможных) надо иметь полный набор зависимостей между основными величинами, характеризующими двигатель во всех ненормальных режимах работы. Получение такого набора зависимостей является задачей исследования ненормальных режимов работы асинхронного двигателя.
Переход двигателя из нормального режима работы в ненормальный устройства защиты обнаруживают по изменениям контролируемых величин. Факторами, вызывающими такие переходы могут являться: перегрузка по моменту, снижение напряжения, несимметрия трехфазного напряжения, обрыв цепи одной фазы.
Любое изменение момента нагрузки нарушает электромеханическое равновесие агрегата «двигатель - рабочая машина», что приводит к изменению скольжения, ЭДС в обмотке ротора и токов в обмотках ротора и статора, потерь мощности в них и их температуры.
Снижение напряжения на зажимах обмотки статора вызывает ослабление вращающегося магнитного поля, рост скольжения и, несмотря на снизившееся напряжение, в подавляющем большинстве случаев - рост токов в обмотках ротора и статора.
Нейтральная точка звезды обмотки статора не соединяется с нулевым проводом сети и не заземляется, цепь для протекания токов нулевой последовательности отсутствует. Напряжение нулевой последовательности, содержащееся в фазных напряжениях сети, не оказывает влияния на работу двигателя. Система векторов линейных напряжений подводимых к обмотке статора в несимметричных режимах содержит только прямую и обратную последовательности и токи, протекающие по обмоткам статора и ротора, содержат эти же последовательности.
Описание установки для экспериментальных исследований аварийных режимов асинхронных двигателей
В настоящее время известны три способа экспериментального определения сопротивления обратной последовательности асинхронных машин: 1. Способ обратного вращения; 2. Определение сопротивления обратной последовательности по характеристике короткого замыкания; 3. Способ однофазного питания при неподвижном роторе.
Первый (назовем его классическим) известен давно и им пользуются уже несколько десятков лет. Он появился после того, как эллиптическое поле было разложено на два круговьк поля, вращающихся в противоположные стороны. Разложение эллиптического поля, возникающего в асинхронных двигателях при несимметричных режимах работы на два поля, вращающихся в противоположные стороны, является теоретической базой способа обратного вращения. В действительности же, при проведении эксперимента по измерению сопротивления Z(2) по этому способу, в машине существует только одно обратносинхронное поле. Таким образом, этот способ не позволяет получить действительную картину поля в машине. Отсутствие поля прямой последовательности неизбежно приводит к определенным погрешностям при измерении сопротивления Z(2) способом обратного вращения. Последнее обстоятельство приводит также к изменению величины добавочных потерь в двигателе, что, в свою очередь, может привести к изменению активной составляющей сопротивления обратной последовательности. Кроме того, следует отметить, что для измерения сопротивления обратной последовательности этим способом испытуемую асинхронную машину необходимо питать от источника с регулируемым напряжением и вращать посторонним двигателем. Что значительно сужает возможности использования данного способа и делает его доступным, как правило, только в лабораторных условиях.
Для определения сопротивления обратной последовательности по второму способу необходимо снять характеристику короткого замыкания IK =f(U,J.
Пользуясь этой характеристикой можно определить сопротивление обратной последовательности для любого значения тока короткого замыкания. Однако, следует заметить, что характеристику короткого замыкания можно снять только при питании испытуемого двигателя от специального источника с регулируемым напряжением и поэтому использование данного способа также ограничено. Но все-таки, этот способ, по сравнению с первым, легче осуществить, так как в этом случае нет необходимости вращать испытуемый двигатель.
Третий способ однофазного питания при неподвижном роторе отличается от второго только тем, что к двигателю подводится не три, а две фазы.
Из изложенного выше следует, что сопротивление обратной последовательности трехфазных асинхронных машин по первому способу измеряется при вращении их посторонним двигателем против направления вращения магнитного поля статора, т.е. измерения ведутся, когда испытуемая асинхронная машина работает в режиме электромагнитного тормоза.
По второму и третьему способам измерения ведутся, когда испытуемая машина находится в режиме короткого замыкания. Но в настоящее время свыше 99 % трехфазных асинхронных машин работают в производственных условиях в режиме двигателя. Поэтому, описанные выше способы измерения сопротивления обратной последовательности в этих условиях применить не представляется возможным.
Предлагаемый нами способ определения сопротивления обратной последовательности асинхронных машин отличается тем, что в соответствии с ним это сопротивление определяется при работе машины в режиме двигателя, когда в ней действуют все ранее названные магнитные потоки. При этом путем изменения напряжения на зажимах двигателя и нагрузки на его валу, представляется возможным исследовать зависимость величины Zpj от этих факторов.
Нейтраль обмотки статора не соединена с нулевым проводом, ток нулевой последовательности отсутствует и напряжение нулевой последовательности равно напряжению обратной последовательности. U(0) = U(2). (4.43)
Следовательно, вольтметр, включенный между нейтралью обмотки статора и нулевым проводом сети, покажет напряжение равное напряжению обратной последовательности. По показаниям амперметра, включенного в фазу В, и вольтметра, включенного между нейтралью обмотки статора и нулевым проводом сети, определяется сопротивление обратной последовательности.
Современные двигатели работают с сильно насыщенной сталью. Это приводит к возникновению в их обмотках ЭДС высших гармоник. Помеху для измерения Z(2) предлагаемым способом вносят гармоники, образующие нулевую последовательность. Это третья гармоника и гармоники, кратные трем. Измерения, проведенные на двигателях серий А, А2, 4А, АИР показали, что практическое значение имеет только третья гармоника. Напряжение этой гармоники у разных двигателей находится в пределах 10-30 вольт. Гармоники более высоких порядков ничтожно малы.
На имеющемся в лаборатории двигателе типа АО 51-4, оборудованном электромагнитным тормозом, были сняты зависимости напряжения третьей гармоники от напряжения на зажимах двигателя при холостом ходе и номинальной нагрузке (рис.4.6), и от момента на валу при номинальном напряжении на зажимах (рис.4.7).
Напряжение третьей гармоники в экспериментах измерялось вольтметром, включенным между нейтралью двигателя и нулевые проводом сети. Для
визуального наблюдения за формой кривой, параллельно вольтметру был включен электронный осциллограф. Питание двигателя осуществлялось через индукционный регулятор.
Для получения зависимостей подобных рисункам 4.6 и 4.7, при работе двигателя с оборванной фазой, необходимо иметь анализатор спектра частот или пользоваться графическим разложением, так как в этом случае между нейтралью двигателя и нулевым проводом сети существует еще и напряжение нулевой последовательности основной частоты. Третья гармоника, накладываясь на синусоиду основной частоты, искажает ее.
Таким образом, между нейтралью двигателя и нулевым проводом сети существует несинусоидальное напряжение.
С точки зрения определения сопротивления обратной последовательности, представляет интерес только первая гармоника этого напряжения.
При проведении эксперимента по определению Z(2) известны напряжение на зажимах и нагрузка на валу двигателя, поэтому, воспользовавшись кривой подобной кривым (рис.4.6), можно найти величину напряжения третьей гармоники и исключить ее из несинусоидального напряжения. Но в этом случае возможна ошибка, величина которой для некоторых двигателей, может оказаться значительной.
