В работе рассмотрены математическое моделирование цифровой релейной защиты и автоматики асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором. Предложенный алгоритм защиты от тепловой перегрузки обмоток ротора и статора машины. Методика измерения температуры нагрева ротора основана на вычислении в темпе реального времени активного сопротивления ротора и его сравнении с известным значением в холодном состоянии.
Асинхронные электродвигатели [АЭД] с короткозамкнутым ротором являются основным видом электропривода машин и механизмов на промышленных предприятиях, в системе собственных нужд тепловых и атомных электростанций и потребляют свыше половины всей вырабатываемой электроэнергии. Однако процент повреждаемых асинхронных машин довольно высок и составляет порядка 20-25% в год от общего числа находящихся в эксплуатации. В настоящее время многие предприятия, производящие и разрабатывающие устройства релейной защиты и автоматики, уделяют достаточно много внимания микропроцессорным терминалам и реле. Однако, в большинстве современных микропроцессорных платформ защиты двигателей, требуемые ПУЭ [1], перенесены на новую элементную базу с минимальными изменениями и уточнениями без учёта их расширенных возможностей. Стандартные защиты не обеспечивают корректное срабатывание в ряде аварийных ситуаций и анормальных режимов работы (перегрев обмоток статора и ротора вследствие неисправности системы охлаждения, несимметрии питающего напряжения, технологических перегрузок и.т.д.). Одним из путей снижения затрат на ремонтные работы является разработка новых алгоритмов устройств релейной защиты и автоматики АЭД с короткозамкнутым ротором. Исходя из вышеизложенного, можно сделать вывод, что данная проблема актуальна.
Известны защиты от тепловой перегрузки АЭД, основанные на использовании интегральной зависимости тока статора в функции времени [2,3]. Данная защита реализована в большинстве современных терминалов таких как REM-545 (концерн АББ; Швеция), Sepam 1000+ M20 (Schneider Electric, Франция); УЗБ-301 (ООО «Novatek-Electro, Российская Федерация). На Украине микропроцессорные терминалы, включающие вышеупомянутую защиту от перегрузки АЭД, выпускает ОАО «Електротехнічний завод РелСіС» (РДЦ-01) [4]. Однако этим способам присущи недостатки из-за отсутствии контроля температуры нагрева обмоток статора и ротора. К другим подходам реализации тепловой защиты ротора следует отнести защиту от теплового перегрева статора и ротора АЭД, базирующуюся на основе косвенного определения температуры нагрева короткозамкнутого ротора [5]. Защита основана на непрерывном измерении мгновенных значений фазных токов и напряжений, последующих вычислений потокосцеплений и их производных, скорости вращения ротора и температуры нагрева обмоток статора и ротора, при превышении допустимых значений производится отключение двигателя от питающей сети. К недостаткам такого подхода можно отнести то, что температура нагрева ротора определяется с большой погрешностью из-за косвенного определения скольжения на основе каталожного значения активного сопротивления ротора. В этом случае защита обеспечивается только для АЭД небольшой мощности (мощность до 200 кВт), в которых отсутствует эффект вытеснения тока в роторе (скин-эффект), а также при допущении, что в формуле для вычисления скорости вращения используется каталожное значение активного сопротивления ротора. Применение данного защитного алгоритма некорректно для АЭД с глубокопазным ротором или ротором с двойной беличьей клеткой (мощность свыше 200 кВт), в которых сопротивления ротора зависят кроме температуры нагрева и от явления эффекта вытеснения тока.
Цель работы: является разработка микропроцессорной защиты асинхронных двигателей собственных нужд электростанций на основе определения активного сопротивления ротора АЭД.
-создание программы на основе математического алгоритма защиты асинхронного двигателя собственных нужд.
-создание интерфейса программы.
-проведения испытаний на реальных моделях.
Теоретические исследования базируются на основных положениях теории электротехники и режимов работы электроустановок. Практические исследования базируются на полученных данных в результате исследований на лабораторных установках.
Новизной в данной работе считается то, что вычисление температуры нагрева производится в темпе реального времени путём расчёта активного сопротивления ротора и его сравнения с известным значением в холодном состоянии.
Данная микропроцессорная защита может быть использована на любых предприятиях, где используются асинхронные электродвигатели, с большим успехом, т.к. она обеспечивает большую степень надежности работы электродвигателей, а также предотвращает их разрушение при авариях в сети.
1.Сивокобыленко В.Ф., Лебедев В.К. Переходные процессы в системах электроснабжения собственных нужд электростанций. Уч. пособие, Донецк, ДонНТУ, 2002. – 136 с.
2. Сивокобыленко В.Ф., Ткаченко С.Н. Моделирование микропроцессорной тепловой защиты асинхронного электродвигателя. г. Донецк, ГВУЗ «ДонНТУ»
1. ООО 'Семиол'. Микропроцессорная система диагностики асинхронных машин
2. Алєксєєв Є Р. ”Тепловой состояние асинхронных двигателей в условиях нестабильной напряжения питания”
3. Онищенко Г.Б., Аксенов М.И., Грехов В.П., Зарицкий М.Н., Куприков А.В., Нитиевская А.И. Автоматизированный электропривод промышленных установок
1.Данилов И. А., Иванов П. М. Общая электротехника с основами электроники. – М.: Высшая школа, 2000.
2. Паначевный Б. И. Курс электротехники. – Харьков, Торгсинг; Ростов-на-Дону, Феникс, 2002.
В состав разрабатываемой защиты АЭД входят стандартные защиты, требуемые ПУЭ [1] (токовая отсечка от междуфазных коротких замыканий, защита от замыкания на землю, защита от перегрузки током статора, защита минимального напряжения), переведенные в цифровой вид. Основное внимание уделено разработке защиты от перегрева статора и ротора или тепловой защите АЭД на основе косвенного определения температуры нагрева обмотки ротора. Вычисление температуры нагрева производится в темпе реального времени путём расчёта активного сопротивления ротора и его сравнения с известным значением в холодном состоянии.
Алгоритм тепловой защиты состоит из следующих основных блоков:
• блок измерений;
• блок цифровой фильтрации;
• блок вычислений;
• блок уставок.
Структурная схема алгоритма тепловой защиты показана на анимации 1.
На вход блока измерений для нужд алгоритма тепловой защиты непрерывно поступают сигналы фазных токов (ia, ib, ic) и напряжений (ua, ub, uc), скольжения s, температуры нагрева обмоток статора TS. Аналоговые величины с помощью АЦП преобразуются в цифровой вид. Далее величины фазных токов и напряжений поступают в блок цифровой фильтрации, основанном на цифровом фильтре Фурье, в котором производится выделение первой гармоники [6].
Вычисление температуры нагрева ротора основывается на использовании схемы замещения АЭД с учётом эффекта вытеснения тока в роторе (см. рисунок 2).
В блоке вычислений производятся следующие операции:
• Предварительные операции:
• проведение опытов холостого хода и короткого замыкания, подачи на статор трёхфазного напряжения различной частоты при неподвижной машине, измерение начальной температуры холодного состояния [7];
• определение по данным опытов сопротивлений обмоток статора (RS, XS), ветви намагничивания (Rµ, Xµ) и функциональных зависимостей сопротивления ротора RRисх(s) (см. Рисунок 2) от скольжения при известной начальной температуре холодного состояния TRнач);
Результаты предварительных операций заносятся в блок констант, находящийся в блоке вычислений, и используются в процессе вычислений в масштабе реального времени.
• Операции, производимые в темпе реального времени:
• Измерение фазных токов (ia, ib, ic) и напряжений (ua, ub, uc);
• Измерение скольжения s датчиком положения ротора (ДПР), установленным на валу двигателя;
• Измерение температуры нагрева обмотки статора TS; термодатчиком (ТД), установленным в обмотке статора двигателя;
• Вычисление модулей тока статора и напряжения статора:
• Вычисление обобщённого вектора тока статора и обобщённого вектора напряжения статора:
где
где i, u – мгновенные значения тока и напряжения соответствующей фазы;
• Вычисление входных сопротивлений АЭД:
• Корректирование активного сопротивления обмотки статора АЭД:
где Rs ? – температурный коэффициент проводника обмотки статора, 1/0С, TS – текущее значение температуры обмоток статора, измеряемое термодатчиками, 0С;
• Вычисление сопротивлений и проводимостей ротора и ветви намагничивания:
• Вычисление проводимостей ротора:
• Вычисление активного сопротивления ротора АЭД:
• Вычисление температуры ротора АЭД:
После вычисления температуры ротора асинхронной машины в блоке вычислений, рассчитанное значение сравнивается с уставкой срабатывания тепловой защиты в блоке уставок. В случае превышения температурной уставки защита срабатывает, запуская выдержку времени и светозвуковую сигнализацию перегрева обмотки ротора. По истечении выдержки времени производят отключение электродвигателя от питающей сети.
Пример моделирования тепловой защиты АЭД произведён для двигателя серии АВ, мощностью 630 кВт и напряжением статора 6 кВ. Каталожные данные машины представлены в таблице 1.
Таблица 1
Рассчитанные параметры схемы замещения для номинального скольжения и температуры 750С приведены в таблице 2. Для моделирования использовались методы математического моделирования асинхронных электродвигателей, изложенные в [8]. В качестве примера был промоделирован режим затяжного пуска двигателя.
В работе проведен анализ алгоритма микропроцессорной тепловой защиты асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором. Предложен усовершенствованный алгоритм тепловой защиты асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором, основанный на косвенном расчёте температуры нагрева ротора. Вычисление температуры нагрева производится в темпе реального времени путём расчёта активного сопротивления ротора и его сравнения с известным значением в холодном состоянии на основе измерения величин фазных токов и напряжений, скольжения и температуры нагрева обмотки статора. Указанный алгоритм реализован в виде программы, в которую входит АЭД и указанная защита. Исследована работа алгоритма в различных режимах для разных типов АЭД с различным проявлением явления эффекта вытеснения тока в роторе. Сравнение данных полученных в лабораторных условиях и с помощью математической модели подтверждают целесообразность разработанного алгоритма для защиты АЭД с короткозамкнутым ротором, находящихся в эксплуатации.
При написании данного автореферата квалификационная работа магистра еще не завершена. Дата окончания завершения работы: 01.12.2010. Полный текст работы и материалы по теме могут быт получены у автора или его научного руководителя после указаной даты.
1. Правила устройства электроустановок/ Минэнерго СССР. – 6-е изд., перераб. и доп. – М.: Энергоатомиздат, 1985. – 640 с.
2. В.А. Андреев. Релейная защита и автоматика систем электроснабжения: Учебник для вузов. 4-е изд. Перераб. и. доп. – М.: Высш. Шк., 2006. – 639 с.
3. Соркинд М.А. Асинхронные электродвигатели 0,4 кВ. Способы защиты от аварийных режимов. Новости электротехники, 2005, №4(34).
4. Официальный сайт ОАО «Електротехнічний завод РелСіС».
5. Патент Украины № 69523 А, МПК 7 Н02Р 5/04, опубл.15.09.2004.
6. Сергиенко А.Б. Цифровая обработка сигналов: Учебник для вузов. 2-е изд. – СПб.: Питер,2006. – 751 с.: ил.
Сергиенко А.Б. Цифровая обработка сигналов
7. ГОСТ 7217-87. Межгосударственный стандарт. Машины электрические вращающиеся. Двигатели асинхронные. Методы испытаний . 2003. - 38 с.
8. Сивокобыленко В.Ф., Лебедев В.К. Переходные процессы в системах электроснабжения собственных нужд электростанций. Уч. пособие, Донецк, ДонНТУ, 2002. – 136 с.
http://masters.donntu.ru/2005/eltf/samarsky/library/st1/st1.htm
9. Способы защиты электродвигателей на примере РКЗ
10. Тепловая защита