Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Обзор и анализ состояния вопроса коммутационных перенапряжений в сельскохозяйственном асинхронном электроприводе 12
1.1 Аналитический обзор методов расчёта коммутационных перенапряжений 12
1.2 Анализ видов перенапряжений и причины их
возникновения в асинхронном электроприводе 17
1.3 Основные факторы, влияющие на параметры коммутационных перенапряжений 19
1.4 Анализ существующих методов и технических средств 21
1.5 Анализ парка АД на предприятиях переработки и хранения зерна 27
1.6 Цель и задачи исследования 29
Выводы из первой главы 30
ГЛАВА 2 Математическая модель для расчёта коммутационных перенапряжений в асинхронном электроприводе 32
2.1 Построение схемы математической модели переходных процессов для одной фазы 34
2.2 Построение математической модели для трёх фаз с учётом переходных процессов на силовых контактах магнитного пускателя 44
2.3 Алгоритм расчёта коммутационных перенапряжений 53
Выводы из второй главы 63
ГЛАВА 3 Экспериментальные исследования перенапряжений и причин их возникновения в асинхронномэлектроприводе 64
3.1.Установки для проведения экспериментальных исследований 64
3.2 Экспериментальные исследования 73
3.3 Методика получения и обработки данных 89
Выводы из третьей главы 105
ГЛАВА 4 Технические средства для защиты от коммутационных перенапряжений 107
4.1 Разработка технического средства для диагностики эксплуатационного состояния магнитного пускателя 108
4.2 Разработка технического средства для регистрации коммутационных перенапряжений 116
4.3 Разработка технического средства для защиты от коммутационных перенапряжений конденсаторной установки 120
4.4 Разработка технического средства для защиты от коммутационных перенапряжений асинхронного электродвигателя 124
4.5 Разработка устройства искрогашения для магнитных пускателей 127
4.6 Разработка устройства для индивидуальной компенсации реактивной мощности асинхронного электродвигателя и защиты от коммутационных перенапряжений 130
4.7 Устройство контроля состояния электрооборудования 134
Выводы из четвёртой главы 137
ГЛАВА 5 Экономическая оценка эффективности разработанных технических средств 138
5.1 Расчёт затрат 138
5.2 Расчёт доходности 145
5.3 Расчёт экономической эффективности устройств 148
Выводы из пятой главы 152
Общие выводы 153
Литература 155
- Основные факторы, влияющие на параметры коммутационных перенапряжений
- Построение математической модели для трёх фаз с учётом переходных процессов на силовых контактах магнитного пускателя
- Экспериментальные исследования
- Разработка технического средства для защиты от коммутационных перенапряжений конденсаторной установки
Основные факторы, влияющие на параметры коммутационных перенапряжений
Первой попыткой в СССР исследования коммутационных перенапряжений и связанных с ними волновых процессов в обмотках асинхронных электродвигателей, были предприняты З.Г. Кагановым [90], в его работе «К вопросу о волновых явлениях в обмотках электрических машин» 1947 г. Автор даёт ссылки на исследования 30-х годов, т.е. на время появления осциллографов с ЭЛТ, появление которых сделало возможным исследование быстротекущих коммутационных перенапряжений и связанных с ними волновых явлений в обмотках асинхронных электродвигателей. В работе были проведены измерения волновых напряжений в разных частях обмотки статора, попытка построения математической модели колебаний в обмотках статора, составлены схемы замещения обмоток для различных частот, построена АЧХ асинхронного электродвигателя. За рубежом первые упоминания о коммутационных перенапряжениях появились примерно а 1933 г., в связи с серии аварий на электрогенераторах компании «Парсонс» в Англии [90].
Опасность коммутационных перенапряжений для изоляции обмотки асинхронных электродвигателей была рассмотрена в начале 50-х годов в работах исследователя Фурморье [90]. Из этих исследованиях выяснилось, что при включениях и отключениях высоковольтных асинхронных электродвигателей возникают перенапряжения, величина амплитуды которых представляет опасность для изоляции статорной обмотки. В это время в отечественной литературе встречается только работа З.Г. Каганова [89], в которой теоретически обосновывается параметры перенапряжений в высоковольтных АД.
В начале 60-х годов, когда началось интенсивное исследование надёжности статорной обмотки низковольтных асинхронных электродвигателей, было установлено, что надёжность обмоток снижается при увеличении числа коммутаций, т.е. включений, отключений, реверса. Первые работы по этому вопросу выполнили О.Д. Гольдберг [48], Ю.П. Похолков [146] и диссертация Н.И. Суворова [161].
В диссертации Н.И. Суворова рассматривались коммутационные перенапряжения в статорных обмотках низковольтных асинхронных электродвигателей, попытка установить причины перенапряжений, исследованы волновые характеристики обмоток статора. В диссертации внимание уделено только статорным обмоткам асинхронного электродвигателя, влияние кабельной линии, коммутационных аппаратов и другого оборудования не рассмотрено.
В середине 70-х годов теме коммутационных перенапряжений и волновых процессов в обмотках низковольтных асинхронных электродвигателей посвящены работы Н.Л. Чагина [173] Н.А. Реуцкого [147]. В диссертации Н.Л. Чагина выполненной в Сибирском Научно Исследовательском Институте Энергетики, под руководством д.т.н., профессора З.Г. Каганова рассматривались волновые параметры статорных обмоток, схемы замещения обмоток, влияние дефектов обмоток на её волновые параметры. В диссертации Н.А. Реуцкого выполненной в Киевском политехническом институте, под руководством К.Н. Вакуленко, впервые упоминается влияние коммутационного аппарата на параметры коммутационных перенапряжений, однако, не исследовались такие показатели магнитного пускателя как разновременная коммутация силовых контактов и их дребезг при замыкании. Кроме того, не исследовалось влияние состояния магнитного пускателя с учётом дребезга и разновременной коммутации на параметры коммутационных перенапряжений. Но всё же, в этой диссертации рассматриваются вопросы о влияние на коммутационные перенапряжения ошибочно выбранного магнитного пускателя, к примеру, несоответствие типа величины магнитного пускателя току протекающего через него.
Теоретический труд посвященный теме коммутационных перенапряжений в 1980 г. был выполнен СП. Хелемской [170], в Заочном политехническом институте, под руководством д.т.н., профессора О.Д. Гольдберга. В этой диссертации теоретически высчитывались волновые параметры статорных обмоток низковольтных асинхронных электродвигателей, представлены схемы замещения для различных частот, определялись теоретически законы распределения кратностей перенапряжений и частот собственных колебаний обмотки электродвигателя. Рассматривался только низковольтный асинхронный электродвигатель, экспериментальные исследования проводились незначительно. Не изучено влияние кабельной линии, коммутационного аппарата и другого оборудования на протекание волновых процессов и перенапряжений в обмотке асинхронного электродвигателя.
Влияние переходных процессов на срок службы асинхронных машин были исследованы Д.Г. Ванигнасурия [29] в Московском ордена Ленина Энергетическом Институте под руководством д.т.н., профессора И.П. Копылова в 1980 году. В основном в работе рассматривалось тепловое старение статорных обмоток, тепловые переходные процессы, трещинообразование в изоляции, старение изоляции, а электромагнитные переходные процессы, коммутационные перенапряжения и волновые процессы в статорных обмотках низковольтных АД рассмотрены недостаточно.
Попытка комплексного подхода к определению влияния всей электрически связанной цепи была предпринята Л.Е. Виноградовой [32] в Уфимском ордена Ленина Авиационном Институте им. Серго Орджоникидзе, под руководством д.т.н., профессора З.Г. Каганова в 1984 г. В диссертации «Собственные электромагнитные колебания в трёхфазных цепях с распределёнными параметрами» рассматривались волновые процессы в трёхфазных цепях, строились математические модели, влияние частоты и амплитуды КП и волновых напряжений от различных параметров. Не рассмотрено влияние элементов коммутационного оборудования на КП.
Частично вопросы КП затронуты в диссертации В.И. Ермыкина [68], выполненной в Российском Государственном Аграрном Заочном Университете под руководством д.т.н., профессора Ф.А. Мамедова в 1995 г. В этой диссертации асинхронный двигатель рассматривается как источник высокочастотных помех и перенапряжений, для электросети и подключённых к ней потребителей, в частности компьютера. Влияние коммутационного оборудование на параметры перенапряжений не рассмотрено. В работе акцентируется внимание на отсутствие в нормативных документах того времени требований к импульсным перенапряжениям и ВЧ помехам.
Построение математической модели для трёх фаз с учётом переходных процессов на силовых контактах магнитного пускателя
Применение лавинных диодов, по сравнению с остальными видами защит, позволяет значительно снизить амплитуду КП, т.к. у данного типа диодов напряжение срабатывания можно подобрать довольно точно [84]. К недостаткам можно отнести: дрейф параметров с течением времени, малая поглощаемая мощность, более быстрое старение. Кроме того, лавинные диоды эффективно ограничивают импульсы перенапряжений, амплитуда которых превышает порог срабатывания, однако, неспособны ограничить импульсы напряжения, амплитуда которых незначительно ниже порога срабатывания, что вызывает беспрепятственное распространение ВЧ помех по электрической сети асинхронного электропривода.
Варисторы, по сравнению с лавинными диодами обладают преимуществом - большей поглощаемой мощностью [87]. Но им присущ ряд недостатков относительно высокий порог срабатывания, по сравнению с лавинными диодами, а также большее время срабатывания.
Одним из перспективных видов защиты от КП являются комбинированные устройства с лавинными диодами и конденсаторами [87, 129]. Данный тип защиты позволяет не только ограничить амплитуду КП, но и уменьшить крутизну фронта КП, кроме того, позволяет несколько снизить амплитуду ВЧ помех. Однако данной защите присущ ряд недостатков, низкая эффективность снижения амплитуды импульсов напряжения, не достигших порога срабатывания лавинных диодов, кроме того, требуются конденсаторы с большей ёмкостью.
Фильтровая защита в цепях переменного тока может быть только пассивной, в отличие от цепей постоянного тока. Фильтровая защита позволяет эффективно снижать уровень ВЧ помех и амплитуды КП, не превышающих номинальное напряжение, однако, она крайне не эффективна в случае ограничения импульсов КП с большей кратностью, кроме того, для ограничения импульсов КП с большей кратностью резко возрастают массогабаритные и соответственно стоимостные показатели данного устройства [129].
С учётом всего вышеперечисленного можно сделать вывод, что для повышения эффективности работы защиты от КП необходимо применять комплексный подход при разработке устройств защиты от КП, причём, более эффективными будут устройства комбинированного типа, т.е. включающие в себе несколько типов перечисленных выше защит. Анализ парка АД на предприятиях переработки и хранения зерна
Электропривод на предприятиях хранения и переработки зерна характеризуется распределением АД по типам, климатическому исполнению и мощности. В основном, используются АД мощностью в интервале 0,25... 110 кВт на напряжение 220/380 В, с синхронной частотой вращения 1000, 1500 и 3000 об/мин [5, 8, 10-13,21].
Анализ исследований [38, 39] указывает на то, что подавляющее большинство АД работают с недогрузкой по мощности, что увеличивает величину КП. Количественная характеристика мощностей АД на предприятиях хранения и переработки зерна приведена на рисунке 1.7.
С учётом вышеперечисленного можно сделать следующий вывод: наиболее подвержены коммутационным перенапряжениям АД незагруженные до номинального значения и работающие в продолжительном режиме, но с частыми пусками и остановами.
Приведённый выше анализ состояния вопроса, включающий в себя причины возникновения КП и их виды, факторов влияющих на КП, устройств и методов диагностики КП и их ограничения, методов расчёта параметров КП, позволяет сформировать цели и задачи исследования.
Целью данной работы является: исследование коммутационных перенапряжений в электроприводах на предприятиях хранения и переработки зерна, разработка устройств защиты от коммутационных перенапряжений для АД и систем их управления.
Для достижения поставленной цели выдвинуты следующие задачи: 1. Провести исследования существующих математических моделей функционирования технических средств для снижения уровня коммутационных перенапряжений.
2. Провести экспериментальные исследования влияния состояния силовых контактов магнитного пускателя на параметры коммутационных перенапряжений в асинхронном электроприводе, а также разработать математическую модель коммутационных перенапряжений в асинхронном электроприводе с учётом влияния параметров силовых контактов магнитного пускателя.
3. Разработать технические средства для ограничения кратностей КП, контроля состояния электрооборудования, а также для регистрации КП и контроля состояния МП, кроме того разработать алгоритм и компьютерную программу для его реализации и провести технико-экономическую оценку разработанных технических средств для ограничения КП.
Выводы из первой главы
1. Основная доля АД на предприятиях хранения и переработки зерна приходиться на мощности до 4 кВт включительно и составляет 65% от общего количества установленных АД.
2. В предыдущих работах не проводились исследования зависимости параметров коммутационных перенапряжений от состояния силовых контактов магнитного пускателя.
3. Выявлено, что 20...30% от общего количества установленных на предприятии АД работают в режиме с частыми пусками и остановами.
4. Установлено что современные математические модели технических средств защиты от коммутационных перенапряжений в асинхронном электроприводе не учитывают ряд параметров, таких как взаимное влияние фаз, влияние угла коммутации каждой фазы, разновременность коммутации, длительность дребезга, которые существенно влияют на амплитуду и длительность коммутационных перенапряжений.
5. Существующие технические средства и методы защиты от коммутационных перенапряжений в асинхронном электроприводе недостаточно совершенны и не отвечают современным техническим требованиям.
До настоящего времени, задача расчёта коммутационных перенапряжений при коммутации сложной активной, индуктивной и ёмкостной нагрузки с учётом угла коммутации и процессов на силовых контактах магнитного пускателя решена не окончательно [1, 3-5, 32, 35, 36, 28,59, 104, 151].
Для более точного описания переходных процессов, протекающих при коммутациях в АЭП, была предложена математическая модель, учитывающая условия коммутации. Система электропривода, изображённая на рисунке 2.1, рассматривается как совокупность элементов
Экспериментальные исследования
Алгоритм необходим при вычислениях кратностей перенапряжений, а переходной процесс не всегда заканчивается перенапряжением, а кроме того, амплитуда переходного процесса может быть ниже номинального напряжения в случае протекания данного переходного процесса в окрестностях переходов синусоиды через нулевую линию её колебаний. При этом, возникает ситуация с коэффициентами перенапряжений ниже единицы, чтобы исключить подобную систематическую ошибку введены в алгоритм два цикла ветвления, в которых в случае значения кратности перенапряжения любой полярности ниже номинального напряжения, ему присваивается значение номинального напряжения, т.е. единицы.
В первом пункте алгоритма происходит ввод данных с осциллограмм, таких как амплитуда положительных колебаний, амплитуда отрицательных колебаний, относительно системы координат программы просмотра, амплитуда положительного полупериода колебаний номинального сетевого напряжения, амплитуда отрицательного полупериода колебаний номинального сетевого напряжения относительно системы координат программы просмотра.
Во втором пункте алгоритма происходит вычисление амплитуды относительно системы координат программы просмотра нулевой лини колебаний сетевого номинального напряжения и амплитуды колебания сетевого напряжения относительно нулевой линии, после чего относительно нулевой линии вычисляются значения амплитуд положительного и отрицательного импульса напряжения.
В третьем пункте происходит вычисление кратностей перенапряжения с использованием вычисленных выше амплитуд.
В четвёртом и пятом пунктах, соответственно, происходит сравнения полученных ранее значений кратностей положительных и отрицательных импульсов перенапряжения относительно кратности номинального напряжения.
В шестом пункте кратности положительного и отрицательного напряжения сравниваются между собой, а больший из них записывается как результат коммутации.
Для наглядного представления полученных данных были представлены гистограммы распределения (Рисунки 3.48, 3.49 и 3.50). 55 50 45 35 ш ю
В таблицах приведены следующие сокращения: э - экспериментальные статистические частоты; т - теоретические статистические частоты; ч.р. вариант - число вариант; ч.с. свободы - число свободы.
1. Выявлено, что от параметров схемы замещения зависят не только максимальные кратности КП, но и их длительность. В каждом конкретном случае параметры КП зависят от угла коммутации каждой фазы и от суммарного времени разновременной коммутации силовых контактов МП. Угол коммутации и суммарное время коммутации силовых контактов МП меняются в случайном порядке при каждом включении и отключении.
2. В результате статистической обработки экспериментальных данных выявлено, что длительность коммутационных перенапряжений при включении и отключении зависит от длительности дребезга силовых контактов магнитного пускателя и в среднем составляет 0,7 мс, а также от длительности горения электрической дуги между силовыми контактами магнитного пускателя с которое находиться в интервале 1,8...2,5 мс. Наибольшая кратность коммутационных перенапряжений наблюдается при отключении асинхронного электродвигателя и превышает по величине в 8...9 раз фазное напряжение.
3. Параметры схемы замещения влияют только на максимальные параметры коммутационных перенапряжений, а на параметры коммутационных перенапряжений при каждой коммутации оказывает влияние состояние контактов магнитного пускателя
4. В результате моделирования и статистической обработки экспериментальных данных выявлено, что с увеличением суммарного времени разновременной коммутации силовых контактов магнитного пускателя увеличивается кратность коммутационных перенапряжений, которая подчиняется закону близкому к экспоненциальному, а максимальная кратность не превышает 9.
Разработка технического средства для защиты от коммутационных перенапряжений конденсаторной установки
Устройство предназначено для непрерывного контроля состояния электрооборудования путём анализа спектрального состава токов в электрической сети. Практически каждая неисправность в электрооборудовании отражается на амплитуде, частоте и форме кривой токов протекающих в данной электроустановке.
На рисунке 4.25 представлена блок-схема устройства контроля состояния электрооборудования, а на рисунке 4.26 представлена конструкция и расположение трансформаторов тока, применяемых в данном устройстве. Устройство работает следующим образом. Электрический ток протекает по электрической силовой линии 1 через блок измерений 2. Блок измерений 2, с помощью трёх делителей напряжения включённых на фазные напряжения, измеряет фазные напряжения и в случае возникновения несимметрии напряжений, формирует сигнал в цифровом виде, в котором содержатся параметры такого ненормального режима электропитания установки. Далее электрический ток проходит через коммутационный аппарат 3, представляющий собой магнитный пускатель, и поступает на вход первого трансформатора тока 4, в котором происходит алгебраическое сложение токов и выделение третьей гармонической составляющей тока нулевой последовательности. С выхода первого трансформатора тока 4, электрический ток поступает на вход второго трансформатора тока 5, представляющего собой фильтр токов симметричных составляющих. В случае возникновения искрения соединений электрической силовой линии 1, частичных пробоев её изоляции и изоляции электроустановки 6, а также в случае больших интервалов времени между коммутациями силовых контактов коммутационного аппарата 3 и величины их дребезга, по электрической силовой линии 1 протекает высокочастотный электрический ток, который наводиться во вторичной обмотке второго трансформаторе тока 5. Далее сигнал с первого трансформатора тока 4 и второго трансформатора тока 5 поступает на аналоговый вход микроконтроллера со встроенным АЦП 7, где сигнал обрабатывается и формируется в цифровом виде. Цифровые сигналы с выходов блока измерений 2 и микроконтроллера со встроенным АЦП 7 через шину сигнала 8 поступают на вход микроконтроллерного блока 9. Микроконтроллерный блок 9 получает сигналы от шины сигнала 8 и блока управления 10, обрабатывает их и выдаёт формализованное решение на жидкокристаллический дисплей 11, а также и на блок накопления 12. Блок питания 13 снабжает блоки устройства постоянным электрическим током посредством шины питания 14.
Универсальная микроконтроллерная плата устройства УКСЭ Применение данного устройства позволяет фиксировать моменты времени наступления неисправностей электрооборудования, а также определить характер неисправности, что сокращает время поиска и устранения неисправностей.
Разработанное устройство для диагностики состояния электрооборудования позволяет по спектральному составу токов определять следующие неисправности: частичные пробои изоляции АД и кабельной линии, резонансные явления в электрической сети, нарушения в магнитопроводе АД, повреждение силовых полупроводниковых приборов в блоках питания, неполнофазные режимы работы, обрыв токоведущих проводников, искрения на скрутках и других соединениях.
Для использования в производственных условиях предлагаются устройства для защиты АД и систем их управления от КП на основе комбинированных защит, что позволяет значительно снизить уровень КП на клеммах АД и в электрической сети АЭП но и сократить потери напряжения в питающем кабеле, что приведёт к повышение напряжения на клеммах АД.
Разработано устройство искрогашения для магнитного пускателя, позволяющее продлить срок службы СК МП, а также устранить влияния СК МП на параметры КП, что вызывает снижение максимального уровня КП.
Исходными данными для расчёта являются: нормы трудоёмкости по выполнению отдельных видов работ; часовые тарифные ставки специалистов различной квалификации; спецификации оборудования и материалов, используемых при изготовлении изделия; прейскурант цен на материалы и комплектующие изделия; норматив отчислений на социальное страхование и дополнительную зарплату; тариф на электроэнергию.
Основная заработная плата специалистов, проводящих ОКР, определяется с учётом количества инженерно-технических работников, их квалификации, трудоёмкости работ и часовых тарифных ставок исполнителей. Основная заработная плата определяется по формуле [172]
Наработка на отказ - сложный показатель, характеризующийся комплексом воздействующих факторов. В таблице приведены приблизительные сроки наработки на отказ для АД и МП работающих в повторно-кратковременном режиме. Устранение КП позволяют продлить увеличить наработку на отказ для АД работающих с частыми коммутациями, в зависимости от условий приблизительно до 5 лет. Исключение влияния КП на обмотки АД и электронные приборы не могут полностью быть охарактеризованы с помощью данного показателя, т.к. вышеперечисленное электрооборудование может выйти из строя по другим причинам. Применение разработанных устройств исключает повреждение, выход из строя и сбои электронного оборудования, такого как ЭБУ и КРМ.
Для расчёта доходности от сокращения издержек производства необходимо сопоставить ущерб от простоя электрооборудования, затрату на выполнение ремонта а также наработку на отказ электрооборудования. Данные сведены в таблицу 5.16.
