Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и обоснование необходимости защиты асинхронных электродвигателей вытяжных вентиляторов от работы на двух фазах 11
1.1. Характеристика технологического процесса вентиляции птицеводческих помещений 11
1.2. Причины выхода из строя электродвигателей вентиляторов 19
1.3. Анализ существующих средств защиты электродвигателей от несимметричных и неполнофазных режимов работы 23
1.3.1. Особенности несимметричных и неполнофазных режимов 23
1.3.2. Основные технические показатели устройств защиты и их связь со структурным построением 24
1.3.3. Анализ устройств защиты, реагирующих на несимметричные и неполнофазные режимы работы электрической сети 26
1.3.4. Способы воздействия защитных устройств на коммутационный аппарат 38
1.4. Выводы 43
2. Математическое моделирование действия устройства защиты электродвигателей при установившемся несимметричном режиме работы сети 45
2.1. Обобщённая математическая модель сети для оценки уровня несимметрии напряжений на зажимах электродвигателя 45
2.2 Оценка влияния несимметрии напряжения на основные показатели процесса вентиляции птицеводческих помещений 51
2.3 Обоснование методики расчёта основных параметров устройства защиты 57
2.4 Выводы 75
3. Методика проведения и обработка данных экспериментальных исследований 77
3.1. Определение естественного уровня несимметрии напряжений на птицеводческом предприятии 78
3.2. Определение изменения сопротивления и скольжения электродвигателя АИРП 80Д6У2 при несимметрии напряжения и обрыве фазы 83
3.3. Определение теплового воздействия несимметрии напряжения на статорные обмотки электродвигателя 87
3.4. Выводы 95
4. Экспериментальные исследования устройств защиты электродвигателей вытяжных вентиляторов от несимметричных и неполнофазных режимов работы 98
4.1. Двухканальное устройство защиты электродвигателей вытяжных вентиляторов от несимметричных и неполнофазных режимов работы 98
4.2. Упрощённое устройство защиты асинхронных электродвигателей от несимметричных и неполнофазных режимов работы 100
4.3. Выводы 109
5. Технико-экономическая эффективность применения предлагаемых устройств защиты 111
5.1. Способы оценки эффективности нового оборудования 111
5.2. Определение экономической эффективности от внедрения разработанного устройства защиты 114
5.3. Многокритериальная технико-экономическая оценка разработанного устройства защиты 126
Общие выводы 130
Литература 132
Приложения 144
- Анализ устройств защиты, реагирующих на несимметричные и неполнофазные режимы работы электрической сети
- Оценка влияния несимметрии напряжения на основные показатели процесса вентиляции птицеводческих помещений
- Определение теплового воздействия несимметрии напряжения на статорные обмотки электродвигателя
- Упрощённое устройство защиты асинхронных электродвигателей от несимметричных и неполнофазных режимов работы
Введение к работе
Птицеводство представляет собой сложную, динамическую, планомерно -развивающуюся систему организационно - хозяйственных и социальных единиц, связанных между собой территориально, по отраслевому принципу и производящих разнообразную продукцию / 46 /. Птицеводство является наиболее эффективной отраслью сельскохозяйственного производства. Это обусловлено получением от птицы таких ценных и дешёвых продуктов, как мясо, яйца, а также пуха, пера, помёта для удобрения, содержащего в 5-6 раз больше азота по сравнению с навозом /81/.
С 1965 года происходит перевод птицеводства на промышленную основу, что позволило увеличить валовое производство яиц почти в 3 раза по сравнению с 1965 годом. Соответствующий рост достигнут также в производстве мяса птицы.
Другим результатом перевода птицеводства на промышленную основу явилось увеличение количества птицеводческих предприятий.
Особенность развития птицеводства - преобразование производства на основе систем машин и расширения сферы технологического применения науки. Значительная часть птицеводческих хозяйств представляет собой совершенно новый тип сельскохозяйственных предприятий с научно обоснованными системами интенсивного использования птицы при содержании её в закрытых помещениях с регулируемым микроклиматом, комплексной механизацией и электрификацией производства. При этом на повышение эффективности птицеводства существенное влияние оказывают противозатратные и энергосберегающие технологии.
Всё это позволило птицеводческой отрасли выйти на одно из передовых мест по обеспечению населения страны продуктами питания. Данные о выпуске продукции птицеводства Однако, с 1990г. выпуск продукции птицеводства начал существенно снижаться. В первую очередь это связано с изменением экономической политики государства, что повлекло за собой экономические кризисы и как следствие этого уменьшение капиталовложений в птицеводческую отрасль.
Например, за 1991 - 1997гг. в 5 раз уменьшился ввод в действие помещений с современным технологическим оборудованием. Если к 1990г. коэффициент комплексной механизации составлял 90%, то в период с 1991 по 1995гг. сложилось катастрофическое положение с поставками и производством технологического оборудования / 46 /.
К 1997г. в системе ОАО "Росптицепром" функционировало 450 птицефабрик яичного и 257 - мясного направлений.
Нужно отметить, что ухудшение экономического положения в стране отрицательно повлияло также и на другие сферы народного хозяйства, тесно связанные с птицеводством.
Комплексная механизация технологических процессов в птицеводстве невозможна без электрификации. Электропривод обеспечивает практически все технологические процессы.
И если к концу 80-х годов установленная мощность электрооборудования увеличилась, качество и надёжность электроснабжения достигли высокого уровня, то с началом экономических реформ в стране положение с электрификацией сельского хозяйства резко ухудшилось / 40 /. Это привело к тому, что сегодня электрические сети находятся в неудовлетворительном техническом состоянии, больше половины из них имеют 100% износ, качественной электрической энергией обеспечивается лишь 60 - 65% потребителей, применение в сельском хозяйстве однофазных потребителей приводит к значительной несимметрии напряжения в сетях 0,38 кВ и т.д.
Ухудшение качества и надёжности элементов системы электроснабжения приводит к тому, что уровень надёжности электропривода в птицеводстве также снижается. В конечном итоге это приводит к увеличению технологического ущерба и ущерба, связанного с выходом из строя электрооборудования, что ещё больше усугубляет состояние птицеводческой отрасли.
Одним из решений сложившейся проблемы может быть разработка и применение средств и методов защиты электродвигателей, составляющих основу электропривода, от аварийных режимов, связанных с ухудшением качества и надёжности системы электроснабжения.
Применение простых, надёжных устройств защиты с малым энергопотреблением позволит обеспечить номинальный срок службы электродвигателей, что приведёт к уменьшению ущерба и в конечном итоге - к уменьшению себестоимости производимой продукции птицеводства, что уже в обозримом будущем позволит в полной мере обеспечить население продуктами питания. Это может явиться одним из важнейших условий обеспечения продовольственной безопасности страны.
Проблема защиты электрооборудования от аварийных режимов работы рассмотрена в трудах Фабриканта В.Ф., Мусина A.M., Грундулиса А.О., Тубиса Я.Б., Казимира А.П., Ерошенко Г.П., Данилова В.Н., Оськина СВ., Минакова В.Ф., Гетманенко В.М., Богдан А.В., Сомова И.Я. и других учёных. Причём разработанные устройства представляют собой многообразие технических способов защиты потребителей.
В последнее время наметилась тенденция отказа от традиционного воздействия на коммутационный аппарат обычной контактной системой, так как в условиях сельскохозяйственного производства на контакты приходится очень большое число отказов. Применение альтернативных способов воздействия на коммутационный аппарат стало возможным благодаря применению полупроводниковой техники, совмещения функций исполнительного органа устройства защиты и коммутационного аппарата, применения герметичных контактов и т.д.
Целью диссертационной работы является повышение эксплуатационной надёжности электропривода вытяжных вентиляторов птицеводческих помещений за счёт совершенствования их защиты.
Задачи исследования:
- обоснование и разработка математической модели работы электродвигателей вентиляторов птицеводческих помещений при несимметричном режиме в питающей сети;
- установление аналитических зависимостей, позволяющих по сетевым параметрам оценивать тепловое состояние обмоток статора электродвигателя при малых тепловых перегрузках;
- разработка математической модели фильтрового устройства защиты асинхронного электропривода вытяжных вентиляторов и её адаптация к условиям агрессивной среды птицеводческих помещений;
- определение реального уровня несимметрии напряжений сети, питающей электродвигатели вентиляторов птицеводческих помещений, для обоснования параметров уставки фильтровых устройств защиты;
- технико-экономическая оценка усовершенствованной защиты.
Объектом исследования является электропривод вытяжных вентиляторов птицеводческих помещений.
Предметом исследования являются параметры фильтрового устройства защиты в зависимости от особенностей технологического процесса и мощности асинхронного электродвигателя.
Научная новизна работы заключается в:
- разработке концепции схемотехнического построения фильтровых усовершенствованных устройств защиты;
- разработке математической модели эксплуатационных режимов работы сети, позволяющей по падению напряжения в каждой фазе сети оценивать несимметрию напряжения на клеммах электродвигателя;
- обосновании порога срабатывания устройства защиты по напряжению прямой последовательности для асинхронных электродвигателей вытяжных вентиляторов;
- уточнении методики проектирования фильтровых усовершенствованных устройств защиты за счёт учёта особенностей рабочей машины и величины реальной несимметрии напряжения;
- разработке методики определения порогового значения несимметрии напряжения в зависимости от допустимого нагрева статорной обмотки электродвигателя.
Практическая ценность заключается в:
- разработке устройства защиты повышенной надёжности для электродвигателей вытяжных вентиляторов, позволяющего получить чистый дисконтированный доход от 10501 до 23677 тыс. руб. при внедрении его в птицеводческом корпусе на 10 тыс. кур;
- определении реального уровня несимметрии напряжения на технологическом объекте;
- получении эмпирических зависимостей влияния несимметрии напряжения на скольжение электродвигателя;
- получении эмпирических зависимостей влияния несимметрии напряжения на нагрев электродвигателя АИРП 80Д6У2;
- разработке программы для ПЭВМ по расчёту параметров устройства защиты в зависимости от типоразмера магнитного пускателя и параметров защищаемого электродвигателя.
На защиту выносятся следующие научные результаты и положения:
- концепция схемотехнического построения фильтровых бесконтактных устройств защиты; .
- методика расчёта усовершенствованного устройства защиты электродвигателей от несимметричных и неполнофазных режимов работы;
- оценка влияния несимметрии напряжения на параметры электродвигателя АИРП 80Д6У2;
- пороговые значения несимметрии напряжения по критерию теплового состояния электродвигателя АИРП 80Д6У2.
Реализация и внедрение результатов работы. Разработанное упрощённое устройство работы внедрено на ГУП "Кущёвская птицефабрика" для защиты электродвигателей вытяжных вентиляторов от несимметричных и неполно-фазных режимов. Результаты исследований используются в учебном процессе АЧГАА при преподавании дисциплины "Электроснабжение сельского хозяйства".
Апробация работы. Основные результаты доложены и одобрены на научно-технических конференциях АЧГАА (г. Зерноград) 1998-2000 гг., ВНИПТИМЭСХ 1999 г., Ставропольской государственной сельскохозяйственной академии 1998, 2000 гг.
Анализ устройств защиты, реагирующих на несимметричные и неполнофазные режимы работы электрической сети
В период нормальной эксплуатации отказы в работе электродвигателей, в том числе и электродвигателей вентиляторов, обычно носят случайный характер / 82 /. Их появление во многом зависит от условий работы устройства. Различают три вида повреждений электродвигателя: 1) механические повреждения, 2) пробой изоляции вследствие перенапряжения и 3) выход из строя изоляции из-за перегрева обмоток / 82,90 /.
Механические повреждения, к которым относятся повреждения корпуса, щитов, подшипников, вентиляторов, возникают из-за воздействия окружающей среды или из-за случайных механических воздействий на эти элементы. Можно считать, что в этом случае отказы электродвигателей обусловлены конструктивными особенностями материалов, из которых выполнены механические части устройства. Доля отказавших электродвигателей, работающих в сельском хозяйстве, по причине механических повреждений в среднем составляет 11% / 90,63,83,39 / ( для вентиляторов - 5% / 65 /)от общего количества вышедших из строя электродвигателей.
Вторая причина повреждений - пробой изоляции статорной обмотки, сопровождающийся межвитковыми замыканиями, замыканием обмотки на корпус, обусловлена воздействиями внешней среды на электродвигатель и его режимом работы. Наиболее неблагоприятными являются режимы работы в животноводческих и особенно - птицеводческих помещениях. Эти помещения характеризуются высокой относительной влажностью, большим диапазоном температур и высоким содержанием аммиака, причем, даже если система вентиляции работает эффективно. Изоляция обмоток увлажняется, насыщается парами аммиака. В результате этого сопротивление изоляции резко снижается и возрастает вероятность её пробоя. Доля вышедших из строя электродвигателей при пробое изоляции составляет в среднем 18% / 90,63,39,94 /. (Для электродвигателей, работающих в системе вентиляции птицеводческих помещений, это соотношение, по данным д.т.н. Оськина СВ. составляет - 13%, по / 65 / - 15%).
Третьей причиной повреждения электродвигателей является выход из строя изоляции статорных обмоток. Нужно отметить, что основным воздействием, приводящим к повреждению изоляции, является тепловое / 26 /. Величина перегрева зависит от конструкции электрической машины, нагрузки при эксплуатации. С повышением температуры уменьшается механическая прочность изоляции и коэффициент теплоотдачи. При температурном расширении материалов ослабляется их структура, возникают внутренние перенапряжения и механические перегрузки. Вследствие этого ускоряется разрушение изоляции от действия механических усилий, высокого напряжения и пусковых токов.
Среди основных причин выхода из строя изоляции асинхронного электродвигателя можно указать следующее: перегрузки (для электродвигателей вытяжных вентиляторов характерно примерзание крыльчатки в зимнее время), работа в неполнофазном режиме, затяжной пуск, работа при пониженном напряжении, работа при несимметрии напряжения. В результате действия этих неблагоприятных факторов наблюдается превышение тока по величине и продолжительности протекания во всех или в двух фазах двигателя, которое приводит к появлению дополнительных Джоулевых потерь. Дополнительные потери, выделяясь в виде тепла, приводят к перегреву изоляции статорных обмоток. При ухудшении охлаждения перегрев может произойти и без повышения тока /82/.
Одними из наиболее опасных и частых аварийных режимов в сельском хозяйстве являются несимметричные и неполнофазные режимы. Причины возникновения этих режимов различны. Причиной несимметрии напряжения, в первую очередь, является неравномерное распределение нагрузки по фазам, за счёт неправильного присоединения однофазных потребителей. Разрыв фазной цепи обусловлен механическим обрывом фазного провода, перегоранием одного из предохранителей, нарушением контакта в одной из фаз.
В сельских распределительных сетях 10 и 0,38 кВ всегда существует несимметрия напряжения и высокая вероятность возникновения неполнофазного режима / 33 /. Интенсивность отказов по причинам обрыва фазного провода составляет в среднем от 3,56 до 4,19 отказа в год на 100 км линий 10 кВ при доверительной вероятности 0,95. Причём, на линии 10 кВ приходится от 65% до 75% от общего числа отказавших элементов электрической сети. В среднем около 30% всех отказов в год приходится на линии 0,38 кВ / 68,124,73 /.
Сегодня сельские электрические сети находятся в неудовлетворительном техническом состоянии. Больше половины из них имеют 100%) износ / 40 /. Следовательно, если в ближайшее время финансирование в отрасль не увеличится, число отказов элементов электрических сетей, в том числе и по причинам обрыва фазы, будет возрастать.
Таким образом, электродвигатели вытяжных вентиляторов, работающие практически круглые сутки, особенно в летние месяцы, имеют высокую вероятность быть охваченными этими аварийными режимами.
Выход из строя обмотки статора - наиболее часто встречающийся вид повреждения и доля вышедших из строя электродвигателей по этой причине для сельского хозяйства составляет в среднем 71% / 90,63,83,39,94 /, из них на обрыв фазы и несимметричные режимы работы приходится - 36% / 90,63,39,94, 41 /, на различные виды перегрузки - 28% / 90,63,83,39 /. (Для электродвигателей, работающих в системе вентиляции птицеводческих помещений, эти соотношения, по данным д.т.н. Оськина СВ., составляют соответственно - 47% , 35%, 0,12%, по данным / 65 / - 65%, 50%, 15%).
Для защиты электродвигателей от вышеперечисленных видов повреждений существуют различные способы. Условно их можно разделить на: 1) профилактические, связанные с проведением профилактических осмотров; 2) конструктивные, связанные с разработкой новых изоляционных материалов, пропиточных лаков, а также с правильным выбором электродвигателей по мощности, по условиям запуска и по степени защиты от воздействия окружающей среды; 3) технические, связанные с внедрением всевозможных устройств защиты.
Профилактические способы, в основном, предназначены для предупреждения первых двух видов повреждений - механических и пробоя изоляции. Конструктивные способы направлены на предотвращение практически всех видов аварийных режимов. Наибольшее распространение получили технические устройства защиты, которые, в первую очередь, характерны для предупреждения повреждения электродвигателей, связанных с перегревом обмоток статора, из-за отклонений нормального режима работы электрической сети или нарушении технологического процесса. Также известны устройства контроля изоляции или утечки токов, применяемые совместно с другими устройствами защиты.
Анализ соотношения основных причин отказа электродвигателей показывает, что наибольший вес среди всех причин приходится на неполнофазные и несимметричные режимы работы питающей сети, а также - всевозможные виды перегрузки. Из этого следует, что существующие устройства защиты электродвигателей вытяжных вентиляторов не всегда успешно выполняют свои функции.
Оценка влияния несимметрии напряжения на основные показатели процесса вентиляции птицеводческих помещений
Наиболее перспективны, на наш взгляд, работы второго направления. Прежде всего, они связаны с объединением функций исполнительного органа с коммутационным аппаратом.
В сельском хозяйстве наиболее распространённым коммутационным аппаратом является электромагнитный пускатель, который работает на электромагнитном принципе действия, как и большинство промежуточных реле, широко используемых в защитных устройствах. Именно это обстоятельство позволило создать совершенно новые принципы отключения устройствами защиты электродвигателей от сети в случае возникновения аварийного режима.
Работы в этом направлении условно можно разбить на следующие группы: 1) создание комбинированных пуско-защитных устройств; 2) использование электромагнитных свойств электромеханического реле, для разработки защитных схем; 3) разработка защитных устройств на базе электромагнитного пускателя. С начала развития электротехнической промышленности ведётся интенсивная работа по созданию комбинированных пуско-защитных устройств. В нашей стране разработано семейство пускателей - автоматов, объединяющих коммутационные и защитные функции / 19,4 /. В Германии разработано комбинированное защитно-пусковое устройство RKZ-2 / 59 /, представляющее собой комбинацию автоматического выключателя и электромагнитного контактора с возможностью как местного, так и дистанционного управления. Устройство может быть использовано для управления и защиты электродвигателей при исчезновении фазы напряжения. Там же разработан пускатель, состоящий из стандартных реле защиты двигателя и контактора, с пристроенным сбоку командоапаратом включения 11X1. Фирмой Klockner-Moeller разработан комбинированный аппарат: пускатель - автоматический защитный выключатель Self-Protected-Starter / 24 /. В США разработана комбинация пускового и защитного устройств, смонтированных в одном блоке, где в качестве чувствительного элемента использован биметалл / 60 /. В Англии разработаны новые пускатели с объединением в одном аппарате выключателя, контактора и 2-функционального реле перегрузки / 93 /.
Очевидно, что разработки этой группы в основном являются комбинацией пускателя и автоматического выключателя и в большей степени представляют интерес для защиты электродвигателя от сверхтоков.
Работы по использованию в качестве принципов защитного отключения электромагнитных и электродинамических свойств реле всегда совпадали по времени с периодически возникающим интересом к электромагнитным аппаратам.
Основными принципами, заложенными в устройствах этой группы, можно считать создание противодействующего магнитного потока в сердечнике реле, при возникновении аварийного сигнала, и использование электродинамических сил, воздействующих на якорь коммутационного аппарата.
В Японии запатентовано электромагнитное реле, у которого изменение магнитного потока осуществляется закорачиванием или размыканием вторичной обмотки реле, находящейся на одном стержне с первичной обмоткой /119/.
В Германии запатентовано двухобмоточное электромагнитное реле, с помощью которого была упрощена защита потребителя от сверхтоков. В данном устройстве вторичная обмотка, включённая последовательно в цепь нагрузки, например, электродвигателя, намотана на общий каркас с катушкой возбуждения и предназначена для создания встречного магнитного поля. Вторичная обмотка рассчитана так, что при определённом токе перегрузки защищаемой цепи происходит полная нейтрализация магнитного поля катушки возбуждения и отпускание якоря реле с последующим размыканием защищаемой цепи нагрузки /47/.
В нашей стране разработано реле защиты, которое содержит магнитную цепь, выполненную в виде якоря и двух неподвижных магнитопроводов, на одном из которых размещена катушка максимального тока, а на другом - катушка минимального напряжения. Катушки обращены торцами друг к другу так, что между торцами образован зазор, в котором расположен якорь /16/.
Характерной чертой этих устройств является использование многообмоточных электромагнитов. И.Я. Сомов предложил классифицировать способы отключения многообмоточных электромагнитов: путём неполного или полного разрыва цепи первичной обмотки; только замыканием вторичной обмотки накоротко и в сочетании с неполным разрывом цепи первичной обмотки и т.д., которые полностью характеризуют как контактное, так и бесконтактное воздействие на коммутационное реле или магнитный пускатель / 103 /. Им же предложено бесконтактное устройство для защиты электродвигателей от работы на двух фазах, состоящего из: дросселя с замкнутым железным сердечником, дополнительной обмотки на сердечнике электромагнита контактора и добавочного сопротивления / 104 /. Данное устройство защиты контролирует напряжение нулевой последовательности, так как дополнительная обмотка контактора через дроссель подключена к нейтральной точке электродвигателя и нулевому проводу сети. При возникновении обрыва фазы, в этой защитной цепи возникает значительный ток, создающий в дополнительной обмотке магнитный поток, который, взаимодействуя с основным магнитным потоком, созданным первичной обмоткой, включённой на линейное напряжение, вызовет в ней увеличение тока. Это в свою очередь приводит к уменьшению основного потока в сердечнике электромагнита контактора, что, при определённых условиях, приводит к отключению электродвигателя от сети.
Что касается использования электродинамических сил, то в Германии разработана серия защитных отключающих устройств / 48, 49, 118 / с электродинамическим исполнительным органом, который позволяет регулировать динамические характеристики устройства защиты и её быстродействие в функции величины тока в защищаемой цепи. Согласно предложению, устройство содержит магнитопровод с неподвижной рабочей обмоткой, секционированной вторичной обмоткой с выводами отдельных секций, а также подвижный цилиндрический якорь, воздействующий на механизм расцепления. Выводы вторичной обмотки шунтированы полупроводниковыми приборами с полным или частичным управлением так, что в зависимости от величины тока в рабочей обмотке может быть закорочено соответствующее число секций. Такая конструкция позволяет изменять индукцию в магнитопроводе, а, следовательно, и усилие, воздействующее на подвижный якорь, и влияющее на быстроту его перемещения.
Схемотехническое построение устройств второй группы, в отличие от устройств первой группы, более универсально. Эти совмещённые выходные органы могут уже входить в структуру устройств, защищающих электродвигатель практически от всех аварийных режимов.
В работах третьего направления устройства для защиты электродвигателя комплектуются электромагнитным пускателем в комбинации с элементами, реагирующими на аварийный режим. Кроме этого, электромагнитный пускатель может самостоятельно использоваться для защиты потребителей от обрыва фазы, так называемая "нулевая" защита.
Определение теплового воздействия несимметрии напряжения на статорные обмотки электродвигателя
В свою очередь, допустимая скорость повышения температуры связана с нагревостойкостью изоляции статорной обмотки. При этом данная скорость может быть определена по выражению (3.12) после предварительного расчёта постоянной времени нагрева. Однако расчёт постоянной времени нагрева для различных тепловых состояний электродвигателя представляет определённые трудности, из-за необходимости определения теплоотдачи, которая, как известно из термодинамики, через критерии подобия / 67 /, получаемые экспериментально, аналитически определяется с большой погрешностью.
Поэтому нами предпринята попытка экспериментально установить зависимости между показателями нагрева непосредственно для исследуемого электродвигателя. Так для электродвигателя АИРП 80Д6У2, нагруженного вентилятором, по экспериментальным кривым нагрева была определена зависимость между скоростью повышения температуры и значением установившейся температуры статорной обмотки (рис.3.7) при условии, что на нагрев двигателя влияет только несимметрия напряжения. Адекватность получившихся аппроксимирующих выражений (3.13), (3.14) и (3.15) проверялась по критерию Фишера при 5% уровне значимости по стандартной методике / 36 /.
При этом для выражения (3.13) FHa6jI=l,38 при FTa6jI=2,07, для выражения (3.14) F„a6jT=l,123 при FTa6j]=2,07, для выражения (3.15) FHa6jT=l,07 при FTa6jl=2,05. Сравнение критериев показало, что экспериментальные и теоретические зависимости различают незначимо, поэтому полученные уравнения регрессии могут использоваться для аналитических расчётов.
Таким образом, граничные пределы несимметрии и показатели нагрева можно определить аналитически по выражениям (3.12), (3.13), (3.14) и (3.15) или пользуясь зависимостями на рис.3.8.
Пользоваться рис.3.8 необходимо в следующей последовательности. Вначале необходимо определить разность между допустимым значением температуры статорной обмотки и температурой, от которой начался нагрев. Далее на оси ординат откладывается значение разности температур и проводится линия до пересечения с кривой V=f(Ai). От получившейся точки пересечения опускается перпендикуляр на ось абсцисс и определяется скорость повышения температуры статорной обмотки. Пользуясь выражением (3.12) по разности температур и скорости повышения температуры можно определить постоянную времени нагрева. Кроме того, перпендикуляр, опущенный из указанной ранее точки пересечения, пересекает кривые k]=f(V) и k2=f(V). Ординаты точек пересечения дают нам пороговые значения коэффициентов несимметрии.
Кроме определения допустимых пороговых значений напряжений прямой и обратной последовательностей, по данной методике также прогнозируется тепловое состояние электродвигателя при различном уровне несимметрии напряжения в сети.
Пользуясь полученными зависимостями (3.13), (3.14) и (3.15), для электродвигателя АИРП 80Д6У2 определим граничные значения напряжения прямой и обратной последовательностей по критерию допустимой температуры статорной обмотки. Расчёт ведём для допустимого по классу нагревостойкости значения температуры статорной обмотки (1доп= 155 С) при установившемся значении температуры обмотки в нормальном режиме - 70 С. Решая систему уравнений, получаем граничные значения напряжения: по коэффициенту обратной последовательности напряжений - 37%, по коэффициенту прямой последовательности напряжений - 64%). Такие же значения коэффициентов получим при использовании графика на рис 3.8.
Анализ статистических данных о качестве напряжения линий, питающих птицеводческое предприятие, показал, что в среднем при уровне значимости - 0,05 коэффициент обратной последовательности напряжений не превышает требуемых ГОСТ значений. Динамика изменения коэффициента обратной последовательности напряжений в течение рабочего дня составляет -0,08...0,81% в среднем по предприятию.
Анализ статистических данных о качестве напряжения линий, питающих птицеводческое предприятие, показал, что в среднем при уровне значимости - 0,05 коэффициент нулевой последовательности напряжений для некоторых линий превышает требуемые ГОСТ значения. Динамика изменения коэффициента нулевой последовательности напряжений в течение рабочего дня для первой линии составляет - 0,61 ...8,55% , для второй линии - 0,6...1,94%.
Экспериментально установлено влияние несимметричного напряжения на скольжение электродвигателя, позволяющее определить изменение технологических параметров процесса вентиляции птицеводческих помещений. Проверка адекватности установленных зависимостей по критерию Фишера при уровне значимости - 0,05 показала, что полученные уравнения регрессии адекватно описывают реальные процессы.
Экспериментально определено влияние несимметрии напряжения и обрыва фазы на нагрев статорных обмоток электродвигателя АИРП 80Д642 и получены эмпирические зависимости скорости повышения температуры от коэффициентов симметричных составляющих. Данные зависимости имеют тесно коррелированную связь с экспериментальными зависимостями и адекватно описывают влияние несимметрии напряжения на тепловое состояние статорных обмоток электродвигателя АИРП 80Д6У2.
Пользуясь разработанной методикой, для электровентилятора ВО-5,6 были определены пороговые значения несимметрии, при которых температура обмотки статора не будет превышать допустимого по классу нагревостойкости значения. Пороговое значение коэффициента обратной последовательности напряжений составило 37%.
Упрощённое устройство защиты асинхронных электродвигателей от несимметричных и неполнофазных режимов работы
Проведённый анализ кривых напряжения показал, что при регулировании частоты вращения вентиляторов тиристорными регуляторами напряжения возникают высшие гармоники, действие которых приводит к значительной погрешности работы схемы защиты. Уменьшить погрешность можно расчётом параметров устройства по каждой гармонике, однако в процессе работы тиристорного регулятора действие основной гармоники настолько угнетается, что это приводит к отпусканию якоря электромагнитного пускателя, даже при удовлетворительном уровне несимметрии напряжения в сети.
Таким образом, использование предлагаемого устройства защиты при питании электродвигателя от "Климатики" нецелесообразно без применения фильтров. Быстродействие устройств защиты при достижении порогового значения определяется временем отпускания якоря электромагнитного пускателя. Общее потребление электроэнергии устройствами защиты зависит от потерь мощности на каждом элементе схемы (кроме потерь на обмотках электродвигателя) и составляет в среднем: - потребление активной мощности - 3,71 Вт; - потребление полной мощности - 6,64 ВА. Для сравнения, при стандартной схеме управления электродвигателем магнитным пускателем, на его катушке выделяется: - активной мощности - 9 Вт; - полной мощности - 17,4 В А. Устройства защиты имеют высокую надёжность. Показатели надёжности определялись по стандартным методикам / 96,99,113 /. Данные о показателях надёжности предлагаемых устройств защиты приведены в прил. 4.3. Обслуживание данных устройств не требует высококвалифицированного персонала, в первую очередь, для дополнительной настройки, так как в процессе расчёта параметров схемы в них закладывается обоснованный порог срабатывания, характерный для конкретного электродвигателя и технологического процесса. Таким образом, схема работает в ждущем режиме и отключает электродвигатель при достижении уровня несимметрии напряжения в сети порогового значения устройства. Отличие разработанных устройств от известных фильтровых устройств защиты состоит в том, что в принципе появилась возможность устранить один из важных недостатков - отсутствие чувствительности к аварийному режиму, произошедшему за местом установки фильтра. Двухканальное устройство защиты электродвигателей вытяжных вентиляторов от несимметричных и непол-нофазных режимов работы, за счёт канала нулевой последовательности полностью контролирует сеть, питающую электродвигатель. Когда обрыв фазы происходит за местом установки фильтра напряжений прямой последовательности, то появляющееся напряжение нулевой последовательности можно ещё усилить магнитным усилителем TV1. На обмотке W1 создаётся падение напряжения, которое даже при оставшемся без изменений напряжении на выходе фильтра напряжений прямой последовательности позволит отключить электродвигатель от сети (рис.4.1). В этом плане действие упрощённого устройства защиты асинхронных электродвигателей от несимметричных и неполнофазных режимов работы несколько хуже. Однако, схема защиты, при выведенной нулевой точке, позволяет полностью контролировать фазу L1 (рис.4.2). Таким образом, защита с использованием фильтра напряжения прямой последовательности отличается простотой устройства и обслуживания, низкой трудоёмкостью ремонта, экономичностью и надёжностью. Для защиты электродвигателей вентиляторов птицеводческих помещений предлагаемые схемные решения рекомендуется применять: - при двухпозиционном прерывистом регулировании микроклимата; - при непрерывном пропорциональном регулировании. В последнем случае предлагаемые устройства защиты рекомендуется использовать с эксплуатируемыми комплектами вентиляционного оборудования "Климат 2 (станция управления ШАЛ. 5711. ЗЗА2У5)", "Климат 3 (станция управления ШАП. 5712. ЗЗА2У5)", "Климат 4 (станция управления ШАП. 5701. 03А2Д)". Использование в комплекте вентиляционного оборудования "Климат 4 (бесконтактное устройство управления МК-ВАУЗ)" устройств защиты с упрощённой структурной схемой нецелесообразно. 1. Применение бесконтактного принципа воздействия на коммутационный аппарат позволило разработать варианты схемотехнического построения фильтровых бесконтактных защит, отличающихся повышенной надёжностью при работе в помещениях с агрессивной окружающей средой. 2. Экспериментальное исследование погрешности срабатывания устройством защиты показало, что погрешность срабатывания находится в теоретически обоснованных пределах, что говорит об адекватности разработанной методики расчёта основных параметров устройства. Погрешность срабатывания при доверительной вероятности - 0,95 составляет 1,2% от теоретически рассчитанной уставки устройства. 3. Элементы схемы не вызывают появления высших гармонических составляющих напряжения на катушке магнитного пускателя. Максимальное отклонение коэффициента искажения кривой напряжения по сравнению с синусоидальным напряжением составляет 0,3%. 4. Использование схем защиты на базе электромагнитного пускателя совместно с тиристорным регулятором напряжения предлагается в совокупности с электрическими фильтрами. 5. Потребление электроэнергии устройствами защиты в среднем составляет: активной энергии - 3,71 Вт, полной энергии - 6,64 В А, что позволяет снизить общее потребление электроэнергии схемой управления и защиты электродвигателей вытяжных вентиляторов в 2,4 раза. 6. Применение разработанных устройств защиты, имеющих высокие показатели надёжности, которые для разных схем имеют следующие значения: вероятность безотказной работы (на 10 лет) изменяется от 0,9 до 0,91, коэффициент готовности - от 0,991 до 0,996, средняя наработка на отказ - от 8,6 до 12,3 лет, повышает эксплуатационную надёжность электропривода в целом.
