Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Анализ работ в области коммутационных перенапряжений в электроэнергетических системах 14
1.1 Анализ источников, видов и характеристик коммутационных перенапряжений в электроэнергетических системах 14
1.2 Анализ отечественных и международных нормативных документов в области импульсных коммутационных перенапряжений 35
1.3 Цели и задачи исследований 48
Глава 2 Методика измерения и регистрации импульсных коммутационных перенапряжений в судовых электроэнергетических системах 50
2.1 Обзор существующих методов экспериментального исследования импульсных перенапряжений 50
2.2 Методика измерения и регистрации импульсных коммутационных перенапряжений в судовых электроэнергетических системах 64
2.3 Выводы по второй главе 72
Глава 3 Экспериментальные исследования импульсных коммутационных перенапряжений на судах рыбопромыслового флота 73
3.1 Экспериментальные исследования на судне РТМК-С "Поречье".. 73
3.2 Экспериментальные исследования на судне РТМ-С "Звезда" 107
3.3 Экспериментальные исследования на судне Б ATM "Порфирий Чанчибадзе" 117
3.4 Выводы по третьей главе 127
Глава 4 Математическое моделирование процесса коммутации асинхронного двигателя на основе аналитической детерминированной модели судовой электроэнергетической системы 128
4.1 Основные допущения. Расчетная схема 128
4.2 Моделирование процесса подключения асинхронного двигателя в судовую сеть в пакете программ математического моделирования MatLab 141
4.3 Выводы по четвертой главе 152
Заключение 153
Список использованных источников 155
- Анализ источников, видов и характеристик коммутационных перенапряжений в электроэнергетических системах
- Обзор существующих методов экспериментального исследования импульсных перенапряжений
- Экспериментальные исследования на судне РТМК-С "Поречье"..
- Моделирование процесса подключения асинхронного двигателя в судовую сеть в пакете программ математического моделирования MatLab
Введение к работе
Актуальность темы. Коммутационные перенапряжения или импульсные напряжения являются одним из видов внутренних перенапряжений, имеющих место в судовых электроэнергетических системах (ЭЭС). Такие кратковременные всплески и провалы напряжения вызываются, как правило, переходными процессами во время коммутаций в судовых ЭЭС электроприемников, таких как асинхронные двигатели, судовые трансформаторы, технологические дроссели, аппараты управления и защиты и т.д. Импульсные коммутационные перенапряжения (ИКП), воздействуя на местные дефекты в изоляции судовых асинхронных двигателей, трансформаторов, различных технологических дросселей, приводят к снижению электрической прочности и перекрытию изоляции судового силового оборудования. С другой стороны, в судовой автоматике находят широкое применение приборы на основе цифровой техники, такой как микропроцессорные системы и средства вычислительной техники, цифровые устройства автоматизации судовой электроэнергетической системы, цифровые навигационные системы и приборы управления судном. Наличие ИКП по амплитуде и длительности выше уровня помехоустойчивости судовых приборов может привести к нарушениям нормального функционирования судовых электротехнических комплексов управления судном и судовой электроэнергетической установкой, а в цепях питания микросхем электроники и микропроцессорной техники может даже привести к их выходу из строя. Поэтому проблеме снижения уровня ИКП в судовых ЭЭС в последние годы уделялось большое внимание. Значительный вклад в исследование ИКП внесен научной школой под руководством профессора Вилесова Д.В. Среди полученных ими результатов следует отметить разработку различных регистраторов импульсных перенапряжений и проведение на их основе исследований импульсных перенапряжений в судовых ЭЭС. Однако проведенные различными авторами экспериментальные исследования не дали достаточно полных данных о
переходных процессах, протекающих в судовых сетях при коммутациях судовых потребителей электрической энергии, в процессе которых возникают ИКП. Причиной этого является случайность и быстротечность процессов возникновения ИКП, а используемая исследователями измерительная техника не позволяла детально произвести осциллографирование всего переходного процесса и установить причинно-следственную связь между коммутациями судового электрооборудования и появлением в судовой сети ИКП. В настоящее время появилось новое поколение микропроцессорных измерительных средств, которые позволяют измерять переходные электромагнитные процессы в микро и наносекундном диапазонах. Поэтому на основе новых средств измерения, используя накопленный опыт исследования ИКП, следует разработать методику экспериментального исследования ИКП в судовых электроэнергетических системах. Экспериментальные исследования ИКП позволят выявить новые, ранее неизученные, особенности процессов ИКП, а теоретические исследования на основе полученных экспериментальных данных позволят более глубоко изучить физику ИКП и разработать рекомендации по снижению ИКП в местах их возникновения.
Работа выполнялась в соответствии с техническим заданием института ГИПРОРЫБФЛОТ по теме "Экспериментальное исследование процессов импульсных коммутационных перенапряжений в ЭЭС судов рыбопромыслового флота" (№ ГР 01200112163), в рамках темы "Исследовать пути снижения эксплуатационных затрат судов федеральной собственности, создать и внедрить технические средства повышения эффективности работы их энергетических установок" по договору №9-10/2000 с Государственным Комитетом Российской Федерации по рыболовству, а также в рамках госбюджетной темы КГТУ 43.45.100.2 "Повышение эффективности функционирования систем энергообеспечения".
Целью диссертационной работы является проведение комплекса теоретических и экспериментальных исследований импульсных
коммутационных перенапряжений в судовых электроэнергетических системах, обусловленных коммутацией асинхронных двигателей, и разработка рекомендаций по снижению импульсных коммутационных перенапряжений.
Поставленная цель предусматривает решение следующих задач: анализ работ в области коммутационных перенапряжений, отечественных и зарубежных нормативных документов по вопросам ИКП; анализ методик измерения и регистрации ИКП; разработка методики измерения и регистрации ИКП при коммутациях электроприемников в судовых ЭЭС; проведение измерений импульсных перенапряжений на судах рыбопромыслового флота при коммутациях судовых асинхронных двигателей; разработка математической модели процесса коммутации судовых асинхронных двигателей для исследования импульсных коммутационных перенапряжений в судовых ЭЭС; разработка рекомендаций по снижению уровня ИКП при коммутациях асинхронных двигателей.
Научная новизна работы состоит в следующем:
- разработана методика проведения экспериментальных исследований
импульсных перенапряжений в судовых ЭЭС с использованием цифрового
осциллографа, отличительными особенностями которой являются
применение высокочастотного фильтра для запуска развертки осциллографа
и определение момента коммутации исследуемого электроприемника;
получены аналитические зависимости амплитуд импульсных коммутационных перенапряжений на выходных клеммах асинхронного двигателя и в месте подключения асинхронного двигателя к судовой сети от момента включения асинхронного двигателя;
уточнен переходной процесс в момент замыкания контактов коммутационного аппарата при подключении асинхронного двигателя к электрической сети;
- разработана математическая модель процессов ИКП в судовых ЭЭС при коммутациях асинхронных двигателей, отличительными особенностями которой являются: представление статорной обмотки асинхронного двигателя с учетом распределенных активно-емкостных проводимостеи межвитковых и на корпус двигателя; судовые кабели выполняются в виде линий с распределенными параметрами; дополнение несколькими циклами «включение-отключение» второй последовательно коммутируемой фазы при неодновременной коммутации контактов разных фаз коммутационного аппарата.
Методы исследований. При выполнении диссертационной работы использованы: метод полного факторного анализа теории планирования эксперимента, метод узловых потенциалов в операторной форме, аналитические и численные методы решения уравнений электрических цепей на ПЭВМ в программных пакетах Matlab, Mathcad, Electronik WorkBanch.
Практическая значимость работы.
Инженерная методика измерения и регистрации импульсных коммутационных перенапряжений в судовых ЭЭС.
Новые практические результаты экспериментальных исследований импульсных коммутационных перенапряжений, возникающих при коммутациях асинхронных двигателей и трансформаторов, в электроэнергетических системах судов: РТМК-С "Поречье", РТМ "Звезда", Б ATM "Порфирий Чанчибадзе".
Рекомендации по снижению уровня импульсных коммутационных перенапряжений в местах подключения коммутируемых электроприемников к судовой сети.
Основные положения, выносимые на защиту.
Инженерная методика экспериментального исследования импульсных перенапряжений в судовых ЭЭС.
Результаты экспериментальных исследований импульсных коммутационных перенапряжений на судах различного типа
рыбопромыслового флота РФ: РТМК-С "Поречье", РТМ "Звезда", БАТМ "Порфирий Чанчибадзе".
Уточнение переходного процесса в момент замыкания контактов коммутационного аппарата при подключении асинхронного двигателя к электрической сети.
Математическая модель процессов импульсных коммутационных перенапряжений в судовых электроэнергетических системах при коммутациях асинхронных двигателей.
В ходе анализа отечественных и зарубежных работ по вопросу исследования импульсных коммутационных перенапряжений в судовых электроэнергетических системах выявлено, что такого рода перенапряжения могут иметь место в судовых электроэнергетических системах при следующих коммутациях: однофазные замыкания на корпус, коммутации индуктивной нагрузки, коммутации потребителей с емкостным характером нагрузки, работа коллекторных двигателей и люминесцентных ламп. В ходе проведения предварительных экспериментальных исследований установлено, что в наибольшей степени ИКП возникают при коммутациях включения и отключения асинхронных двигателей, а также при коммутациях включения и отключения малых индуктивных токов (трансформаторов, различных технологических дросселей). Такие коммутации сопровождаются серией повторных зажиганий и погасаний дуги между контактами коммутационного аппарата, в результате в судовой сети возможно появление высокочастотных импульсных перенапряжений.
Глубоких исследований процессов ИКП, протекающих и микро и нано секундном диапазоне при коммутациях судовых асинхронных двигателей в судовых электроэнергетических системах, ранее не проводилось, так как отсутствовала соответствующая измерительная аппаратура, которая позволяла бы проводить такие исследования. Поэтому для разработки математической модели коммутации асинхронного двигателя возникла необходимость первоначально провести экспериментальные исследования
для того, чтобы выявить форму переходного процесса при коммутациях судовых асинхронных двигателей и набрать достаточное количество статистических данных о параметрах ИКП, которые имеют место при такого рода коммутациях. Полученные в ходе экспериментов данные позволят разработать адекватную математическую модель, описывающую реальные переходные процессы в судовых электроэнергетических системах при коммутациях судовых асинхронных двигателей. Исследования на этой модели позволят оценить влияние параметров судовой сети, питающего кабеля и коммутируемого асинхронного двигателя на характер переходного процесса при такого рода коммутациях и оценить эффективность разработанных технических мероприятий по снижению уровня импульсных перенапряжений при коммутациях судовых асинхронных двигателей.
Для проведения экспериментальных исследований на основании анализа существующих методов экспериментального исследования импульсных перенапряжений нами была разработана инженерная методика исследования ИКП на основе современных цифровых осциллографов.
Разработанная методика была опробована в лаборатории при исследовании коммутации асинхронного двигателя. Результаты исследований в лаборатории подтверждают то, что разработанная методика измерения и регистрации ИКП может использоваться при исследовании коммутаций потребителей электрической энергии в судовых ЭЭС.
С использованием разработанной методики были проведены экспериментальные исследования ИКП в ЭЭС ряда судов, в частности на судах рыбопромыслового флота различного класса: РТМК-С "Поречье", РТМ "Звезда", БАТМ "Порфирий Чанчибадзе", ПБ "Балтийская слава". В качестве объектов исследования были выбраны судовые асинхронные двигатели и трансформаторы мощностью от 10 до 150 кВт. Было проведено более 200 опытов включения-отключения объектов исследования в судовой ЭЭС. Это позволило охватить коммутации объектов исследования различных мощностей при разных фазах напряжения судовой ЭЭС в моменты
коммутации объектов исследования. Установлено, что при подключении АД мощностью 10 - 30 кВт к судовой сети возникают импульсные перенапряжения до иикггЗ-Цпин.мАх в обмотках коммутируемого АД, и до иикп=2,бимАх в точке присоединения АД к судовой сети. А при отключении
АД до иикп=Цлин.мАХ-
Анализ осциллограмм позволил пояснить характер переходного процесса при подключении АД к судовой сети. При коммутации контактов первой коммутируемой фазы коммутационного аппарата в обмотках асинхронного двигателя появляются затухающие колебания напряжения. Это связано с распространением электромагнитной волны по электрическим цепям обмоток двигателя, емкостям между корпусом и обмотками фаз двигателя и емкостям в кабельных линиях. Процесс коммутации контактов второй коммутируемой фазы коммутационного аппарата сопровождается наибольшими импульсными коммутационными перенапряжениями на межфазной изоляции асинхронного двигателя и в судовой сети. Анализ результатов проведенных экспериментальных исследований показал, что появление такого рода ИКП на обмотках АД связано с возникновением и гашением дуги между сближающимися контактами автоматического выключателя или с так называемым "дребезгом" контактов. При замыкании контактов третьего полюса коммутационного аппарата значительных по величине импульсов напряжения зафиксировано не было.
В процессе экспериментальных исследований ИКП на судах получен огромный статистический материал по переходным процессам при коммутации асинхронного двигателя в судовой энергосистеме. Обработка этого статистического материала позволила получить зависимости значения амплитуды ИКП от фазы линейного напряжения, приложенного к контактам первого и второго последовательно коммутируемым полюсам коммутационного аппарата, при подключении АД в судовой ЭЭС.
Обработка полученного в ходе экспериментальных исследований статистического материала показала, что наибольшие импульсные
перенапряжения возникают при коммутации судовых асинхронных двигателей. Это привело нас к разработке математической модели, описывающей переходные процессы, возникающие в судовой энергосистеме при коммутации асинхронной машины.
Основой модели является система дифференциальных уравнений, которая описывает переходные процессы при коммутации асинхронного двигателя в судовой сети. Решение такой системы уравнений классическими методами трудоемко. Поэтому в ходе решения этой системы дифференциальных уравнений нами было исследовано несколько компьютерных программ математического моделирования, в частности Mathcad, Electronik WorkBanch (Multisim), Matlab и др. Анализ показал, что наиболее приемлемым является пакет программ математического моделирования Matlab 6.5, поскольку он позволяет решать более сложные дифференциальные уравнения и более удобен для вывода результатов моделирования. Достоверность модели была подтверждена результатами экспериментальных исследований, которые были проведены в лаборатории и в электроэнергетических системах судов.
На разработанной математической модели была проведена оценка технических мероприятий для снижения амплитуды ИКП. Исследования на модели показали, что включение на клеммах коммутируемого асинхронного двигателя ограничителей перенапряжений включенных по схемам «звезда» и «треугольник», приводит к наибольшему снижению амплитуды ИКП.
Результаты диссертационной работы были использованы для разработки рекомендаций по защите судовых потребителей электроэнергии от импульсных коммутационных перенапряжений в проектах рыбопромысловых судов, проходивших экспертизу в институте "Гипрорыбфлот". Практические рекомендации по защите асинхронных двигателей диссертационной работы реализованы в ООО «Лукойл-Калининградморнефть» на погружных электродвигателях ПЭД (700кВт, ЗкВ) насосов закачки воды в пласт на Ушаковском нефтяном месторождении
путем установки защиты от перенапряжений с помощью ограничителей перенапряжений, включенных по схеме "звезды" и "треугольника", что предотвратило выходы из строя обмоток электродвигателей от перенапряжений при их пусках. Результаты теоретических и экспериментальных исследований импульсных коммутационных перенапряжений используются в учебном процессе Калининградского государственного технического университета.
Основные результаты диссертационной работы доложены, обсуждены и одобрены на 7 научных конференциях, в том числе: на Международной научно-технической конференции, посвященной 40-летию пребывания КГТУ на Калининградской земле и 85-летию рыбохозяйственного образования в России, г. Калининград, 1998г.; на Третьей отраслевой научно-технической конференции аспирантов и соискателей "Научно-технические разработки в решении проблем рыбопромыслового флота и подготовки кадров", г. Калининград, 1999г.; на Шестой Российской научно-технической конференции "Электромагнитная совместимость технических средств и биологических объектов", С.-Петербург, 2000г.; на научно-технической конференции, посвященной 70-летию Калининградского государственного технического университета, г. Калининград, 2000г.; на Третьей международной научно-технической конференции "Прогрессивные технологии, машины и механизмы в машиностроении", г. Калининград, 2002г.; на Седьмой Российской научно-технической конференции "Электромагнитная совместимость технических средств и биологических объектов", С.-Петербург, 2002г; на Международной научной конференции "Инновации в науке и образовании - 2003", г. Калининград, 2003г.
По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ, в том числе четыре статьи и один научно-технический отчет по НИР.
Анализ источников, видов и характеристик коммутационных перенапряжений в электроэнергетических системах
В процессе функционирования судовых ЭЭС происходят частые коммутации в электрических цепях, связывающих источники питания с потребителями электроэнергии. К их числу относятся: пуски и отключения электродвигателей асинхронных приводов, включения и отключения трансформаторов и катушек контакторов, синхронизации и отключения генераторных агрегатов, включения и отключения электромашинных преобразователей. Кроме того, имеются несанкционированные, в том числе аварийные замыкания и размыкания электрических цепей, включая замыкания на корпус судна. Все эти процессы влекут за собой появление в кривой напряжения судовых ЭЭС коммутационных перенапряжений /72, 78/ или импульсных напряжений /32/.
Наличие в судовой сети ИКП с коротким фронтом может привести к сбоям и отказам в работе судовых электроприемников /3, 22, 102, 110/ таких как: - судовые радиотехнические средства: устройства связи, навигации, телевизионное оборудование; - микропроцессорные системы обработки информации, входящие в состав судовых устройств управления; - средства судовой автоматики: автоматические синхронизаторы судовых генераторов; устройства распределения активной и реактивной мощности; регуляторы напряжения, которые получают необходимую для работы информацию по результатам измерений токов и напряжений судовой сети; - элементы силовой электроники; - системы автоматизации судового технологического оборудования. С проблемой возникновения и распространения импульсных коммутационных перенапряжений в судовых ЭЭС впервые столкнулись в начале 80-х годов. При анализе импульсных коммутационных перенапряжений в судовых ЭЭС следует учитывать особенности этих систем, а именно /21, 49, 52, 79/: - судовые ЭЭС, как правило, выполнены с изолированной нейтралью с целью обеспечения электро и пожаробезопасности /44, 61/; - соизмеримость мощностей отдельных видов судового электрооборудования с мощностью судовой ЭЭС; - относительно небольшие размеры кабельных трасс от источника энергии до потребителей; - наличие повышенной величины емкости фаз относительно корпуса и межфазной емкости; - пониженное значение сопротивления изоляции из-за большого количества гальванически связанных элементов; - высокая концентрация средств управления и контроля в постах. Первые экспериментальные данные по измерению импульсных помех в судовых ЭЭС были получены на судах ВМС США /99/. В этих исследованиях в качестве измерительной техники были задействованы два электронных аналоговых осциллографа с автоматическими камерами, фиксировавшие переходные процессы с экранов осциллографов (рисунок 1.1). Экспериментальные исследования были проведены на 11 судах ВМС США. Общее время измерений составило примерно 1132 часа. В течение этого периода был записан 51 импульс напряжения. Из них 36 - в сети напряжением 120В, частотой 60Гц, три из которых зарегистрированы на одном судне за 47-часовой период, шесть импульсов были обнаружены в сети напряжением 450В, частотой 60Гц и девять - в сети напряжением 120В, частотой 400Гц (рисунок 1.2). Длительность 86% импульсов напряжения составляла от 4 до 6 мкС, а иногда достигала 19 мкС. Наибольший импульс напряжения составил 1800В и был получен в системе напряжением 120В и частотой 60Гц. Однако глубокого анализа ИКП и выводов в работе /99/ нет. Фундаментальные работы по исследованию ИКП в судовых ЭЭС проведены специалистами ЛКИ (ныне СПбГМТУ) под руководством профессора Вилесова Д.В. Полученные результаты изложены в ряде публикаций 12, 18, 20, 21, 24/ и отчетах по научно-исследовательской работе /48/. Для проведения исследований ими были разработаны приборы для экспериментальных исследований ИКП: измеритель параметров импульсных напряжений ИИП-С и анализатор амплитуды импульсных напряжений АИП-С. Разработанные приборы позволяли регистрировать параметры ИКП в судовой ЭЭС, такие как амплитуда и длительность импульса, длительность фронта импульса /30/. Подробнее технические возможности этих приборов проанализированны во второй главе. С помощью этих приборов были проведены измерения импульсных перенапряжений на пяти судах морского флота, имеющих электростанции мощностью от 1400 до 6600 кВА. В ходе экспериментальных исследований было установлено, что в судовой сети напряжением 380В и частотой 50Гц возможно появление импульсов перенапряжений с амплитудой до 1300В длительностью 10"7-10 4сек и с фронтом 10"8-10 5. На основании анализа результатов измерений ИКП были сделаны следующие выводы: - при включении асинхронных электродвигателей мощностью от 1 до 320 кВт амплитуда импульсных перенапряжений между фазами не превышает 180В и на фазах относительно корпуса - 100В; - при включении трансформаторов мощностью до 190 кВА амплитуда импульсных перенапряжений не превышает 100В; - при синхронизации судовых генераторов амплитуда импульсных перенапряжений не превышает 50В; - при отключении перечисленных нагрузок импульсные перенапряжения имеют амплитуду значительно меньшую, чем при включении (меньше 50В); - максимальные амплитуды импульсных перенапряжений наблюдаются при замыкании фазы на корпус; их величина не превышает 1000В на фазе, которая замыкается на корпус, и не превосходит 1200В на остальных фазах; - амплитуда импульсных перенапряжений при отключении нагрузки на судах определяется в основном свойствами дуги между контактами выключателя; - длительность импульсных перенапряжений с амплитудами большими 100В принимает значения от долей до десятков микросекунд; - частота появления импульсных перенапряжений с амплитудой, большей, чем \]ф, на обследованных судах, не превосходила одного раза в сутки. Следует отметить, что проведенные исследования не дали достаточно определенных и полных данных об условиях протекания и источниках возникновения ИКП в судовых ЭЭС. Причиной этого является случайность и быстротечность процессов возникновения ИКП, а используемая исследователями измерительная техника, не позволяла детально произвести осциллографирование всего переходного процесса и установить причинно-следственную связь между коммутациями судового электрооборудования и появлением в судовой сети импульсных коммутационных перенапряжений.
Обзор существующих методов экспериментального исследования импульсных перенапряжений
Преимущество аналоговых осциллографов состояло в том, что они имели более широкую полосу пропускания частот и более высокую скорость записи, чем другие средства измерений неповторяющихся импульсов перенапряжений, применявшиеся до настоящего времени. Тем не менее, анализ результатов экспериментальных исследований импульсных коммутационных перенапряжений (ИКП) с применением электронных аналоговых осциллографов показал, что применение осциллографов этого типа для исследования ИКП имеет ряд существенных недостатков: - высокая погрешность измерений; - большой процент потери информации; - трудности при документировании результатов. Наиболее простым способом регистрации перенапряжений является использование счетчиков перенапряжений. Основным элементом таких счетчиков стали триггерные схемы, переключающие электромагнитный счетчик импульсов. Поэтому использование такой измерительной техники позволяет фиксировать лишь число перенапряжений, превысивших определенное значение. Несколько большую информацию о процессах импульсных перенапряжений дают измерители отдельных параметров импульсных перенапряжений (рисунок 2.5). Прибор состоит из входного, преобразовательного и регистрирующего блоков. Входной блок содержит делители напряжения. Преобразовательный блок видоизменяет входной сигнал, сохраняя амплитуду и значительно увеличивая его длительность и мощность. В качестве регистрирующего прибора могут использоваться све 56 толучевые осциллографы, самопишущие вольтметры или цифровые вольтметры. Большая работа по исследованию ИКП в судовых ЭЭС при использовании счетчиков перенапряжений и измерителей параметров импульсных перенапряжений проведена специалистами ЛКИ (ныне СПбГМТУ) под руководством профессора Вилесова Д.В. /17, 28, 29/. Для исследования ИКП в судовых ЭЭС ими были разработаны следующие приборы: измеритель параметров импульсных напряжений регистрирующего типа ИИП-С и анализатор амплитуды импульсных напряжений АИП-С (рисунок 2.6). Прибор ИИП-С обеспечивает преобразование параметров ИКП в величины амплитуд входных импульсов секундной длительности, достаточной для регистрации самописцем или светолучевым осциллографом. В измеритель входят следующие основные узлы (рисунок 2.6а): - фильтр высокой частоты (ФВЧ) пропускает импульсы напряжения, значительно ослабляя напряжение основной частоты; - фильтр низкой частоты (ФНЧ) выделяет напряжение основной частоты; - делитель напряжения (ДН) служит для ослабления импульсов напряжения до рабочих напряжений прибора; - дифференцирующая и интегрирующая цепи (ДЦ и ИЦ) предназначены для преобразования ИН с целью определения их временных параметров; - ключевая схема (КС) формирует импульс напряжения, пропорциональный мгновенному значению напряжения основной частоты исследуемой сети; - расширитель импульсов (РИ) служит для расширения импульсов по длительности при сохранении амплитуды. Анализатор АИП-С (рисунок 2.46) предназначен для определения амплитуды импульсов перенапряжения в судовых ЭЭС. Прибор фиксирует на шести электромагнитных счетчиках (ЭСИ) количество ИКП, возникших в исследуемой сети за период измерения и превысивших по амплитуде заданные пороги (100, 200, 400, 600, 800, 1000В). Инвертор напряжения (ИН) преобразует импульсы отрицательной полярности в импульсы той же амплитуды положительной полярности. Пороговая схема (ПС) предназначена для фиксации превышения амплитудой заданного порога и выдачи управляющего сигнала на ЭСИ. С помощью разработанных приборов были проведены измерения ИН на различных судах морского флота. Анализ результатов экспериментальных исследований показал, что разработанные приборы позволяют автоматически регистрировать в судовой ЭЭС импульсные перенапряжения и измерять их отдельные параметры: амплитуду импульса, длительность импульса, длительность фронта импульса. Тем не менее, следует отметить, что данный метод исследования не позволяет получать информацию о форме импульсов перенапряжений В настоящее время ведутся работы по совершенствованию измерительных приборов этого типа /97/. В новых приборах предлагается использовать ЭВМ для накопления статистической информации и устройства линейной интерполяции для расширения длительности регистрируемых импульсов перенапряжений. Таким образом, повышается точность регистрации длительности импульса и расширяется частотный диапазон приборов. Однако сохраняются главные недостатки: - отсутствие данных о форме измеренных импульсов; - отсутствие информации о коммутационных процессах, в результате которых имели место зарегистрированные импульсные коммутационные перенапряжения. Исследование импульсных перенапряжений и сбор статистической информации осуществлялся также в нескольких европейских странах /31, 103/. Исследования проводились с использованием автоматизированной измерительной системы (АИС), структурная схема которой представлена на рисунок 2.7.
Экспериментальные исследования на судне РТМК-С "Поречье"..
Из осциллограммы, показанной на рисунке 3.4а, следует, что контакты разных полюсов автоматического выключателя замыкаются не одновременно и при замыкании контактов каждого полюса возникает переходной процесс. В данном опыте первыми замкнулись контакты фазы А автоматического выключателя, вторыми замкнулись контакты фазы В и третьими - контакты фазы С (рисунок 3.4а). При коммутации контактов фазы А в обмотках АД появились затухающие колебания напряжения. Это связано с распространением электромагнитной волны по электрическим цепям обмоток двигателя, емкостям между корпусом и обмотками фаз двигателя и емкостям в кабельных линиях (рисунок 1.2). Величина этого импульса, приложенного к межфазной изоляции, составила: UBC=760B. Период колебаний составил: Т =13,8мкС соответственно:
После замыкания первого контакта выключателя между сближающимися контактами оставшихся двух фаз будет приложено линейное напряжение судовой сети. Одна пара контактов из двух оставшихся полюсов автоматического выключателя замкнется раньше другой. При уменьшении межконтактного промежутка наступит момент времени, когда напряжение между контактами фазы (в данном опыте это фаза В) станет больше напряжения пробоя воздушного межконтактного промежутка. Возникает дуга, характеризующая начало переходного процесса в цепи: синхронный генератор - автоматический выключатель - обмотки АД -межфазные и фазные емкости. В этом опыте длительность переходного процесса при коммутации контактов фазы В автоматического выключателя составила 92мкС. Это самый длительный и сложный переходной процесс из трех обусловленных замыканием контактов разных полюсов автоматического выключателя. Поэтому на рисунке 3.4в этот процесс показан в уменьшенном масштабе времени. Как следует из осциллограммы, показанной на рисунке 3.4в, переходной процесс сопровождается возникновением перемежающейся дуги и значительными ИКП достигающими 2050В и 2580В между фазами AJ[. При замыкании контактов третьего полюса в фазе С (рисунок 3.4а) наблюдается незначительный по величине всплеск напряжения /55/. По нашему мнению это связано с тем, что после коммутации контактов первых двух полюсов автоматического выключателя между контактами третьего полюса напряжение стремиться к нулю. Период времени между коммутациями контактов фаз А и В составил: 1018мкС, а между коммутациями контактов фаз В и С: 380мкС. Длительность всего переходного процесса коммутации двигателя с сетью составила 1398 мкС.
На рисунке 3.5 приведены осциллограммы линейных напряжений UAB и UBC В точке ТІ (рисунок 3.2) при подключении АД (объект №1 на рисунках 3.1 и 3.2) к судовой сети, но при других начальных условиях. В момент коммутации (рисунок 3.56):
Из осциллограммы, показанной на рисунке 3.5а следует, что замыкания контактов разных полюсов автоматического выключателя происходили в той же последовательности, как и на осциллограмме, показанной на рисунке 3.4а: контакты фазы А, контакты фазы В, контакты фазы С. При замыкании контактов первого полюса автоматического выключателя (фаза А) наблюдаются колебания напряжения (рисунок 3.5в). Амплитуда наибольшего импульса составила: иИмп=700В. Период колебаний: Тимп 14мкС. В момент замыкания контактов фазы В автоматического выключателя (рисунок 3.5г) значение амплитуды импульсов перенапряжения достигло значения 1430В. длительность переходного процесса при коммутации фазы В составила бОкмС. При замыкании контактов третьего полюса автоматического выключателя (фаза С на рисунке 3.5а) ИКП не наблюдалось. В этом опыте период времени между коммутациями контактов фаз А и В автоматического выключателя составил - 1052мкС, а между коммутациями фаз В и С -342мкС. Общая длительность переходного процесса составила 1394мкС. Из осциллограммы, показанной на рисунке 3.5в, следует, что амплитуда ИКП и длительность переходного процесса при замыкании контактов второго полюса автоматического выключателя зависят от фазы напряжения приложенного к этим сходящимся контактам после замыкания контактов первого полюса автоматического выключателя. Период времени между замыканиями полюсов фаз А, В и С автоматического выключателя существенно не изменился, а следовательно зависит от настройки механической части коммутационного оборудования.
На рисунке 3.6 представлены осциллограммы линейных напряжений UAB И UBC, полученные в третьем опыте при исследовании включения АД в судовую сеть. На осциллограмме, представленной на рисунке 3.6а, показан процесс изменения линейных напряжений UAB И UBC при неодновременной коммутации полюсов автоматического выключателя. Момент коммутации показан на рисунке 3.66 на осциллограмме линейных напряжений UAB И UBC снятой в точке Т2 (рисунок 3.2). Из этой осциллограммы следует, что осциллограммы, приведенные на рисунке 3.4а и 3.6а, были получены при одной и той же фазе напряжения судовой сети. Однако, если на осциллограмме, приведенной на рисунке 3.4а, имеют место импульсы перенапряжений амплитудой 2580В и 2050В, то на рисунке 3.6а подобных импульсов нет. Значит можно предположить, что амплитуда ИКП, имеющих место на клеммах АД во время его включения в сеть, зависит не только от фазы напряжения в момент коммутации, но и от характера зажигания и гашения дуги между сходящимися контактами второй фазы коммутационного аппарата.
Моделирование процесса подключения асинхронного двигателя в судовую сеть в пакете программ математического моделирования MatLab
Обработка полученного в ходе экспериментальных исследований статистического материала показала, что наибольшие импульсные перенапряжения возникают при коммутациях судовых асинхронных двигателей. Для проведения теоретических исследований процессов импульсных коммутационных перенапряжений, имеющих место при коммутациях судовых асинхронных двигателей, необходимо разработать математическую модель, описывающую переходные процессы, возникающие в судовой энергосистеме при коммутации асинхронной машины. Достоверность модели должна подтверждаться данными, полученными в ходе экспериментальных исследований коммутации асинхронных двигателей в судовых ЭЭС.
В настоящее время разработанным моделям, описывающим переходные электромагнитные процессы при коммутациях АД в автономных судовых ЭЭС, посвящено большое количество работ /6, 15, 48, 52, 84/. Как отмечалось в главе 1, целью таких исследований являлось определение характера изменения тока в обмотках статора АД, электромагнитного момента на валу двигателя и напряжения судовой сети в масштабе времени, соответствующем нескольким периодам промышленной частоты. Такие расчеты проводятся при следующих допущениях и условиях: - рассматривались коммутации АД наибольшей мощности в исследуемых системах; - контакты разных фаз коммутационного аппарата замыкаются или размыкаются мгновенно и одновременно, т.е. за интервал времени At=0; - не учитывались емкости между фазами судовой сети и корпусом судна, а также межфазные емкости; - в схемах замещения асинхронных двигателей не учитывались межвитковые емкости и емкости обмоток двигателя относительно корпуса. Анализ полученных в ходе экспериментальных исследований осциллограмм (см. главу 3) показал, что при коммутации асинхронных двигателей (АД) средней мощности (РНом=Ю-30кВт), в моменты замыкания контактов коммутационного аппарата, имеют место переходные волновые электромагнитные процессы, сопровождаемые перемежающейся дугой в межконтактном промежутке или, так называемым, "дребезгом" контактов. В течение этих переходных электромагнитных процессов возникают значительные импульсные коммутационные перенапряжения (ИКП) /57/. Поэтому для выяснения физических процессов, происходящих в судовой сети при такого рода коммутациях, необходимо разработать соответствующую математическую модель /68, 80, 95/. Такая модель была нами разработана с учетом особенностей построения ЭЭС судна типа РТМС, что позволило нам в дальнейшем оценить ее достоверность. В качестве прототипа выбрано судно РТМС-К «Поречье», так как в процессе экспериментальных исследования в ЭЭС этого судна были зафиксированы наибольшие ИКП. Схема подключения исследуемого асинхронного двигателя МІ в судовую сеть показана на рисунке 4.1. Электроснабжение судовой ЭЭС осуществляется от одного генератора G1 (рисунок 4.1), нагрузка которого до коммутации исследуемого АД была симметричной. В основу модели положены следующие допущения: 1. Коммутационный аппарат (автоматический выключатель, контактор) заменяется идеальным ключом. При замыкании контактов коммутационного аппарата имеет место металлическое замыкание контактов коммутационного аппарата, и дуга в межконтактном промежутке отсутствует, поскольку полная система уравнений, описывающая процессы в стволе динамической дуги, значительно усложнит расчеты /74, 75, 86, 90/. 2. Контакты разных фаз коммутационного аппарата замыкаются в следующей очередности: контакты фазы А, далее через промежуток времени от 0 до ТМАХВ - контакты фазы В и далее через промежуток времени от ТМАХВ До ТМАХС - контакты фазы С (ТМАХВ ТМАХ0). В момент подключения АД к судовой сети на шинах ГРЩ ЭЭС возникает провал напряжения, оценку которого можно рассчитать по формуле /52, 82/: коэффициент полезного действия (КПД) и коэффициент мощности асинхронного двигателя; к; - кратность пускового тока асинхронного двигателя; соБфс - коэффициент мощности сети. Проведенные по выражению 4.1 расчеты показали, что при пуске исследуемого электродвигателя (рисунок 4.1) провал напряжения на шинах ГРЩ не превышает 1,1%, поэтому можно сделать допущение, что двигатель подключается к сети бесконечной мощности. В этом случае судовой синхронный генератор G1 может быть представлен симметричным трехфазным источником ЭДС - eA(t), eB(t) и ec(t), соединенных последовательно с эквивалентным сопротивлением генератора: индуктивное сопротивление, равное сверхпереходному индуктивному сопротивлению синхронного генератора по продольной оси IT - активное сопротивление, численно равное активному сопротивлению обмотки статора генератора. Анализ работ по исследованию переходных электромагнитных процессов в асинхронных двигателях показал, что в большинстве таких работ переходные процессы в асинхронных двигателях описываются системой дифференциальных уравнений 1.1 - 1.3 /45/. В этих уравнениях потокосцепления фаз статора и ротора Ч \ и 2 выражаются через токи фаз и индуктивности фаз статора и ротора, а также взаимные индуктивности между фазами статора и ротора. Причем взаимные индуктивности между их фазами зависят от углового положения ротора /36, 64, 65/. С учетом насыщения стали статора затруднительно решать такую систему уравнений и анализировать полученные результаты. Поэтому для исследования электромагнитных процессов в АД в качестве модели АД обычно используют Г-образную схему замещения АД (рисунок 4.2а). С учетом того, что в период замыкания контактов коммутационного аппарата QF1 ротор АД из-за инерции ротора и приводного механизма остается неподвижным, схему замещения АД упрощают (рисунок 4.26). Значения сопротивлений элементов схемы замещения АД рассчитывают по формулам/4, 81/:
