Введение к работе
Актуальность проблемы. Синхронные двигатели широко используются в системах электроснабжения различных отраслей промышленности, так как они обладают высокой перегрузочной способностью, имеют больший чем у асинхронных двигателей КПД, способны регулировать реактивную мощность, имеют повышенную устойчивость при снижениях напряжения в сети. Условия эксплуатации синхронных двигателей существенно зависят от особенностей технологического процесса производства, которые являются наиболее тяжелыми на предприятиях химической, газовой, нефтехимической, горной и других отраслях промышленности. Ежегодно на долю электродвигателей приходится до 30 % общего числа повреждений электрооборудования высокого напряжения, значительная часть которых приходится на обмотку статора двигателей. Основные виды повреждения связаны с нарушениями изоляции, которые обусловлены вибрациями лобовых частей и стержней обмотки, внутренними и внешними замыканиями, перегревом контактных соединений, механическим воздействием постороннего предмета, старением изоляции, перенапряжениями, некачественным изготовлением и монтажом, плохим выполнением ремонтных работ, неудовлетворительным уровнем эксплуатации.
Многофазные и витковые замыкания являются наиболее опасными видами повреждения синхронных двигателей. Опасность внутренних замыканий заключается в том, что токи, протекающие в месте повреждения, могут многократно превышать токи в обмотке статора при повреждении на выводах. Так как последствия коротких замыканий в синхронных двигателях, как правило, является очень тяжелыми, то необходимо выявлять повреждения на ранних стадиях их возникновения и развития, что представляет собой довольно сложную задачу.
Существующие математические модели явнополюсных синхронных двигателей получены для анализа либо симметричных режимов работы, либо несимметричных без нарушения внутренней структуры машины. Кроме
" 4 "
того, уравнения состояния для синхронных двигателей при нарушениях
симметрии относятся к классу систем дифференциальных уравнений с периодическими коэффициентами, что вызывает значительные сложности при их решении.
Применение современной релейной защиты синхронных двигателей требует создания новых алгоритмов распознавания аварийных ситуаций с применением других информационных признаков сигналов и их комбинаций. Указанное вызывает необходимость в разработке новых математических моделей явнополюсных синхронных двигателей, учитывающих внешние и внутренние нарушения симметрии в машинах, а также новых методов их расчета для мгновенных значений электрических величин.
Целью работы является разработка математических моделей явнополюсных синхронных двигателей при нарушениях их симметрии, вызванных многофазными и витковыми короткими замыканиями, методов и алгоритмов анализа режимов работы двигателей при указанных условиях.
Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:
проведен анализ существующих методов математического моделирования явнополюсных синхронных двигателей при нарушениях симметрии;
разработана математическая модель явнополюсного синхронного двигателя в фазной системе координат для анализа несимметричных режимов, вызванных различными видами коротких замыканий;
получены уравнения состояния явнополюсных синхронных двигателей в матричной форме с учетом переходного сопротивления в месте короткого замыкания;
разработана методика решения уравнения состояния, содержащего матрицы с периодическими коэффициентами;
разработан метод решения уравнения состояния для установившихся режимов работы явнополюсных синхронных двигателей при нарушениях симметрии;
» произведено исследование изменения информационных признаков сигналов при внутренних нарушениях симметрии у синхронных двигателей.
Методика исследования. При решении поставленных задач использовалась теория переходных процессов электрических машин переменного тока и методы их математического моделирования на ЭЬМ, теория решения систем дифференциальных уравнений с периодическими коэффициентами, теория электрических цепей и систем.
Научная новизна работы заключается в следующем:
-
Разработаны математические модели явнополюсных синхронных двигателей при внутренних и внешних нарушениях симметрии с учетом переходного сопротивления в месте короткого замыкания.
-
Получены аналитические выражения в матричной форме в виде уравнений состояния для анализа режимов работы синхронных двигателей при различных нарушениях симметрии.
-
Разработана методика решения уравнения состояния, содержащего матрицы с периодическими коэффициентами на основе приведения его к уравнению с матрицами, имеющими постоянные коэффициенты.
-
Получены аналитические выражения для решения уравнения состояния при нарушениях симметрии у явнополюсных синхронных двигателей для установившихся режимов работы.
Автор выносит на защиту;
-
Математическую модель явнополюсного синхронного двигателя при нарушениях симметрии в фазной системе координат.
-
Теоретические основы формирования и решения уравнения состояния для явнополюсных синхронных двигателей при нарушениях симметрии, содержащего матрицы с периодическими коэффициентами.
-
Результаты исследований информационных признаков сигналов при внутренних нарушениях симметрии у синхронного двигателя, вызванных ' короткими замыканиями.
Практическая ценность работы заключается в следующем: 1. Разработана методика и алгоритмы формирования математических моделей явнополюсных синхронных двигателей при нарушениях симметрии.
2. Разработана методика анализа режимов работы синхронных двигателей при нарушениях симметрии, вызванных различными короткими замыканиями.
Исследования по теме диссертации проводились в соответствии с планами научно-исследовательских работ кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий» Кубанского государственного технологического университета, а также АО «Оренбурггазпром», АО «Астраханьгазпром», ДАО «Электрогаз».
Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на заседаниях научных семинаров кафедр «Электроснабжение промышленных предприятий» и «Электротехника» Кубанского государственного технологического университета, на научно-практической конференции «Повышение эффективности работы систем электроснабжения и электрооборудования Кубани» (г. Краснодар, 1995 г.), на научно-практической конференции «Улучшение характеристик электротехнических комплексов, энергетических систем и систем промышленного электроснабжения» (г. Краснодар, 1996 г.). Результаты диссертационной работы внедрены в АО «Кубаньэнерго» и в учебном процессе по курсам «Переходные процессы в системах электроснабжения» и «Релейная зашита и автоматика в системах электроснабжения».
Публикации. По результатам диссертационной работы опубликовано 7 печатных работ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, списка использованной литературы. Работа содержит 164 страниц, 30 рисунков. Библиография состоит из 77 наименований источников.
