Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ
1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ОБОСНОВАНИЕ ЦЕЛИ И ОСНОВНЫЕ
ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ Ю
1.1. Анализ характера и причин повреждений трехфазных асинхронных электродвигателей 10
1.2. Критический обзор существующих способов и устройств защиты электродвигателей от несимметричных режимов 17
1.3. Цель работы и задачи исследования 26
2. АНАЖЗ ВЖЯНИЯ НЕСИММЕТРИЧНЫХ АВАРИЙНЫХ PEMMQB НА
РАБОТУ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ 33
2.1. Особенности электроснабжения группы электродвигателей взрывозащищенного крана 35
2.2. Исследование влияния не симметрии напряжения сети
2.3. Исследование влияния обрыва фазы питания и обрыва обмотки статора, соединенной в треугольник 59
2.4. Анажз электромеханических характеристик взрывозащищенных крановых электродвигателей в переходных режимах
2.5. Исследование несимметричных режимов на нагрев взрывозащищенных асинхронных электродвигателей 77
Выводы 3. ИССЛЕДСВАНИЕ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ В СИСТЕМЕ ПИТАНИЯ
ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ И ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ОРГАНАХ ЗАЩИТЫ 84 102
3.1. Исследование несимметричных режимов при пуске и реверсе электродвигателей
3.2. Анажзна ЭВМ фазовых сдвигов между токами статоре двигателя при коммутационных режимах 98
Выводы 4. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ФАЗО-ИМПУЛЬСНОЙ ЗАЩИТЫ ЮЗ
4.1. Технические требования к фазоимпульсной защите ЮЗ
4.2. Обоснование принципов построения и структуры защиты Ю5
4.3. Разработка и 8Н8лиз электрических схем защиты И 4
4.4. Выбор и обоснование временных параметров защиты по характеристикам аварийных режимов двигателя 134
4.5. Исследование зоны чувствительности защиты при несимметричных коротких замыканиях внутри двигателя и в системе его электроснабжения 139
4.6. Анализ работы фазоимпульсной защиты при симметричных коротких замыканиях и перегрузках 144
Выводы №
5. ВЫБОР, ИССЛЕДОВАНИЕ ИСПЫТАНИЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ И ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ОРГАНОВ ФАЗО-ИМПУЛЬСНОЙ ЗАЩИТЫ 151
5.1. Измерительные датчики фазоимпульсной защиты 151
5.2. Орган сравнения фазоимпульсной защиты 160
5.3. Анализ и расчет помехозащитного органа Ю7
5.4. Промышленное внедрение и экспериментальные исследования фазоимпульсной защиты
5.5. Разработке методов и аппаратуры для исследования, испытания и настройки фазоимпульсной защиты
5.6. Технико-экономические показатели от применения фазоимпульсной защиты 191
Выводы Ю2
ОСНОВНЫЕ НАУЧНЫЕ И ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ 194
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1ЭЭ
ПРИЛОЖЕНИЯ:
I. Копия письма о внесении дополнений в проект ГОСТ 420-68-76 "Качество электрической энергии" 210 - 4 Стр.
2. Результаты исследований устройства защиты электродвигателей, реагирующего на характер изменения внешнего магнитного поля рэооеяния 210
3. Расчет роторных параметров двигателя ВКр ІОО- 6... 21
4. Программа расчета на ЭВМ параметров переходных режимов двигателей 222
5. Технические требования к фазоимпульсной защите... 226
6. Протоколы испытаний устройства защиты и
7. Расчет измерительного фильтра прибора для измерения не симметрии напряжения в трехфазных сетях 235
8. Расчет экономического эффекта от производства и применения фазо-импульоной защиты 237
9. Акты внедрения 241
Введение к работе
В основных направлениях экономического и социального развития СССР на I98I-I985 годы и на период до 1990 года стэвится задача всемерно внедрять комплексную механизацию и автоматизацию производственных процессов, неуклонно сокращать во всех отраслях численность рабочих, занятых ручным трудом, особенно на вспомогательных и подсобных работэх / I /.
Для химической, нефтехимической и газовой промышленности практическое решение вопросов механизации погрузочно-разгрузочных работ связано с применением грузоподъемных кранов работающих во взрывоопасных средах и поэтому требующих обеспечения взрыво защиты их электрооборудования.
В общем комплексе мероприятий совершенствования взрывозащищенного кранового электрооборудования мостовых, козловых и подвесных кранов значительная роль отводится схемам управления и противоаварийной автоматики. Это обусловлено, с одной стороны, возрастающей напряженностью работы кранов и повышением их технологической роли при выпуске продукции на промышленных объектах, при этом предъявляются повышенные требования к эксплуатационной надежности электрооборудования и, особенно, электродвигателей приводов крана. С другой стороны, грузоподъемные крены с электрическим приводом по своему назначению, специфике работы и конструктивным особенностям относятся к оборудованию с повышенной опасностью и поэтому требуют принятия ряда предохранительных и защитных мер. Согласно Правил устройства и безопасной эксплуатации грузоподъемных кранов (пункт 175): "У кранов с электрическим приводом переменного тока при обрыве любой из трех фаз должен отключаться привод механизма подъема груза и стрелы" / 2 /. Недопустимость такого режима работы двигателей в электроприводах взрывобвзопэсных кранов дополнительно определяется опасностью возникновения пожара или взрыва.
Не менее актуально стоит задача защиты электродвигателей общепромышленного назначения. Несмотря на улучшение общего уровня эксплуатации электродвигателейі их аварийность по-прежнему остается довольно высокой, чем наносится значительный экономический ущерб. Принимая это во внимание действующий нормативно-технический документ ОСТ 16 0.510.037-78 "Двигатели асинхронные трехфазные. Правила эксплуатации" запрещает эксплуатацию двигателей всех исполнений и модификаций без защитной аппаратуры: от коротких замыканий, перегрузки (систематической и пусковой) и от не-полнофэзных режимов.
Попытки разрешить проблему защиты асинхронных электродвигателей крановых электроприводов с помощью уже имеющихся традиционных защит встречают ряд трудностей, обусловленных сложным режимом их работы, а также недостаточной чувствительностью и быстродействием самих защит. Не нашли применения и устройства защиты,специально разрабатываемые для кранов:для башенных (ВНИИ-стройдормаш);для мостовых (ВНИИПТЙ и Донецкий политехнический институт) /3-5/. Таким образом, разработка защиты,направленной на повышение эксплуатационной надежности электродвигателей улучшение безопасных условий работы на кранах и удовлетворяющей требованиям применения во взрывозащищеиных аппаратах, является актуальной задачей. Для анализа характера процессов протекающих в цепях измерительных органов защиты, обоснования и разработки технических требований к защите, выбора и расчета ее параметров и уставок необходимо проведение дополнительных исследований характеристик трехфазных асинхронных двигателей при несимметричных режимах работы.
Предметом диссертационного исследования является математическое моделирование несимметричных режимов: обрыва фазы питания, обрыва обмотки статора и не симметрии напряжения питания применительно к выбору угловых характеристик срабатывания фазо-импульсной защиты. В качестве объекта исследования выбрэны взрывозащищенные крановые электродвигатели со встроенным электромагнитным тормозом, используемые в электроприводах мостовых, козловых и подвесных кранов грузоподъемностью до 50 т.
Основная идея работы заключается в выявлении характере и величин фазовых сдвигов между токами и реализации их в измерительных органах фазо-импульсной защиты. Использование фазовых соотношений между токами в качестве признака не симметрии позволило выполнить защиту одинаковой чувствительности ко всем несимметричным режимам.
В диссертации разработана методика исследования несимметричных режимов работы электродвигателей, базирующаяся на использовании дифференциальных уравнений электрического равновесия. Получены аналитические зависимости электромагнитного моменте и токов, записанные через дареметры схемы замещения двигателя и исходные величины не симметрии. Расчет и анализ характеристик выполнены на примере взрывозащищенных крановых электродвигателей серий ВАКр и ВКр. Разработана математическая модель на основе дифференциальных уравнений, записанных в осях со сдвигом 120°, позволяющая анализировать токи во всех фазах без разложений на отдельные симметричные составляющие. Разработаны принципы построения, структурные и электрические схемы фазо-импульсной защиты. На основании расчетных и опытных характеристик аварийных режимов двигателей обоснованы оптимальные параметры срабатывания защиты.
Научная новизна исследований состоит в следующем:
- обоснован и реализован комплексный подход к анализу влияния несимметричных режимов на электромагнитный момент, токи во всех фазах и фазовые сдвиги между токами применительно к разработке фазо-импульсной защиты;
- дано математическое описание переходных процессов в измерительных органах фазо-импульсной защиты электродвигателей при обрыве фазы, обрыве обмотки статора и не симметрии напряжения питания;
- раскрыта сущность фазовой не симметрии токов и установлена закономерность изменения фазовых сдвигов в зависимости от режима не симметрии;
- разработан алгоритм получения характеристики для единого трехфазного органа фазо-импульсной защиты, входными величинами которого являются токи, преобразованные в импульсы при переходе через нулевые значения;
- обоснованы параметры и характеристики фазо-импульсной защиты, установлены функциональные возможности и зона ее чувствительности к различным несимметричным режимам.
Практическое значение работы состоит в том, что разработанная методика расчета и анализа токов и их фазовых сдвигов в зависимости от величины и характера несимметрии в системе питания крановых электродвигателей послужила основой для выбора и создания фазо-импульсной защиты, т.е. доведена до уровня инженерной задачи. Результаты диссертационной работы использованы при разработке блока импульсной защиты БЗИ-І, который в составе комплекта кранового взрывоззщищенного электрооборудования серийно выпускается на опытно-экспериментальном заводе ВНИЙВЭ. Комплекту электрооборудования присвоен государственный Знак качества. Разработанный блок защиты является первым в отечественной практике изделием, обеспечивающим выполнение требований Правил устройства и безопасной эксплуатации грузоподъемных кранов в части защиты электродвигателей механизма подъема груза от обрыва фазы. Блок также внедрен институтом ВНИЙТэлектромаш в комплексе контрольно-испытательного оборудования - станциях контроля параметров КД2-8, где он выполняет функции защиты испытуемых двигателей от анормальных режимов. Результаты исследований фазовой не симметрии токов послужили основанием для разработки дополнений проекта ГОСТ ПГ4-20-68-76 "Качество электрической энергии".
Разработанная фэзо-импульсная защита благодаря высокой чувствительности (уставка срабатывания по углу сдвига может быть выбрана в пределах от 120 до 180°) и быстродействию (измерительный орган срабатывает в течение одной третьей периода частоты),в сочетании с другими техническими возможностями и особенностями: независимость действия защиты от мощности и схемы соединения обмоток статора, отсутствие настройки в процессе эксплуатации, малые габариты измерительных датчиков и электронного блока, имеет преимущества перед другими защитами аналогичного назначения. Это расширяет возможности ее применения для защиты трехфазных асинхронных двигателей переменного тока в других электроприводах.
В диссертации защищаются:
- методика теоретических и экспериментальных исследований влияния несимметричных режимов в системе питания электродвигателей на моментные характеристики и токи во всех фазах;
- алгоритм и программа расчета фазовых сдвигов между токами при неполно фазных и несимметричных режимах, а также при пусках и реверсах;
- научно-обоснованные технические требования к фазо-импульсной защите, методика выбора ее параметров и характеристик срабатывания;
- структура построения и электрические схемы фазо-импульсной защиты, разрабатываемой в виде блока для встраивания во взрывозащищенные крановые станции;
- методика расчета и исследования импульсных трансформаторов тока, органа сравнения и помехозащитного узла фазо-импульсной защиты.
Работа выполнялась в соответствии с планом основных научно-исследовательских работ ВНИИВЭ по темам EI3.3556 и EI3.8449 "Разработка комплекта взрывозащищенных электрических аппаратов в исполнении ВЗТ4 для мостовых, козловых и подвесных кранов грузоподъемностью 15,20,15/5,30/5 и 50 т", являющихся частью комплексной проблемы по созданию нового более совершенного взрывозащищенного электрооборудования.
