ВВЕДЕНИЕ
Одним из условий нормального функционирования сельскохозяйственных предприятий является надежная работа электрооборудования. В сферу деятельности специалистов по электротехнологиям и электрооборудованию в сельском хозяйстве входят, главным образом, электродвигатели и другое оборудование, предназначенное для преобразования электрической энергии в другие виды энергий.
Режимы работы асинхронного двигателя, при которых он мгновенно или с некоторой вьщержкой времени должен отключаться от сети, целесообразно разделить на аварийные, требующие мгновенного отключения, и ненормальные, допускающие некоторую выдержку времени. К числу аварийных безусловно относятся режимы, связанные с возникновением различных замыканий в обмотке статора. Остальные режимы, требующие отключения двигателя, могут быть отнесены к ненормальным. Факторами, вызывающими такие режимы, могут являться: перегрузка по моменту, снижение напряжения, несимметрия трехфазного напряжения, обрыв цепи одной фазы.
Специалисты в области электротехнологий и электрооборудования в сельском хозяйстве через научные и конструкторские разработки могут существенно влиять на повышение эффективности зашиты асинхронных электродвигателей.
Проблемы эффективной зашиты асинхронных двигателей, работающих в условиях сельскохозяйственного и промышленного производства во многом схожи. Но в промышленности эта проблема возникла значительно раньше и из-за массового использования таких двигателей ощущалась острее. Это нашло отражение в многочисленных публикациях, которые нельзя не учитывать при анализе развития техники и теории защиты асинхронных двигателей.
Главные особенности сельского хозяйства в плане данной проблемы вытекают из значительной протяженности сельских сетей, невысокой их надежности, неудовлетворительных показателей качества электрической энергии, несовершенства технологических процессов и машин, недостатка квалифицированных кадров и измерительной техники, необходимой для контроля состояния и наладки электрооборудования.
Необходимость создания для сельского хозяйства более совершенной техники всех видов, включая технику защиты асинхронных двигателей, хорошо известна. Среди факторов, определяющих темпы создания и эффективности использования новой техники, особое место занимает научное обеспечение, которое в настоящее время применительно к рассматриваемой проблеме, является недостаточным. Из этого вытекают цель и задачи настоящей работы.
Общая характеристика работы. Настоящая работа посвящена проблеме повышения эффективности зашиты асинхронных двигателей сельскохозяйственных электроустановок. Известная разница между реальным и расчетным сроками службы электродвигателя в сельском хозяйстве может быть сокращена путем использования более совершенных устройств защиты. Для проведения работ по созданию таких устройств и квалифицированному их использованию необходимо соответствующее научное обеспечение.
Для асинхронных двигателей, работающих в сельскохозяйственных электроустановках, характерен целый ряд простых и сложных, симметричных и несимметричных ненормальных и аварийных режимов. Исходной информацией для совершенствования устройств защиты являются свойства асинхронного двигателя как объекта зашиты во всех названных ненормальных и аварийных режимах работы. То есть свойства устройств защиты должны быть согласованы со свойствами объекта защиты.
Техническая система «асинхронный двигатель - устройство защиты» состоит из двух совместно действующих элементов, предназначенных для самостоятельного выполнения заданных функций. Совместное действие при самостоятельном выполнении заданных функций делает очевидной необходимость создания единой модели этой системы. С помощью такой модели могут быть обоснованно согласованы свойства устройства защиты со свойствами асинхронного двигателя как объекта защиты. Исследования свойств устройств защиты и асинхронного двигателя как объекта защиты и построение математической модели совместного их действия составляют содержание данной работы.
Она включает в себя четыре отдельных направления:
1) построение основ теории устройств защиты;
6
2) элементы теории и проектирования преобразователей;
3) ненормальные режимы работы асинхронных двигателей и защита от них;
4) аварийные режимы работы асинхронных двигателей и защита от них.
Но очевидно, что говорить в широком смысле о решении сложной многоплановой проблемы повьппения эффективности защиты асинхронных двигателей сельскохозяйственных электроустановок иначе не представляется возможным.
Методы создания и анализа действия устройств защиты, учитывающие особенности асинхронного двигателя как объекта защиты, представляют собой знания общего характера. Полное практическое приложение этих знаний не может быть раскрыто в рамках одной работы. Каждое устройство защиты, созданное или исследованное с помощью этих знаний, будет примером их использования. В этом отношении данная работа не является замкнутой на себя. В известной степени она является лишь началом развития техники защиты асинхронных двигателей, основывающемся на прямом использовании теории устройств защиты и теории асинхронных машин. К сожалению с помощью современной теории асинхронных машин описанию поддаются лишь ненормальные режимы работы асинхронного двигателя. При разработке и исследовании устройств защиты от аварийных режимов работы приходится прибегать к экспериментальному исследованию двигателя как объекта защиты.
Основная часть работы посвящена построению основ теории устройств защиты и исследованию ненормальных и аварийных режимов работы асинхронных двигателей. Применение полученной теории устройств защиты и результатов исследования режимов работы асинхронных двигателей показано на примерах анализа действия некоторых известных устройств и разработки новых измерительных органов устройств защиты от ненормальных и аварийных режимов работы. Рассмотрение в работе вопросов определения сопротивления обратной последовательности асинхронных двигателей, теории и методов проектирования некоторых преобразователей вызвано недостаточной разработанностью и освещенностью этих вопросов в литературе.
Сопротивление обратной последовательности является одним из основных параметров асинхронного двигателя при его работе в несимметричных режимах.
Представление в теории трансформатора об индуктивностях рассеяния как о величинах, зависящих от некоторого, в общем случае, произвольного числа К, является одним из существенных недостатков этой теории.
В связи с тем, что в предлагаемой теории устройств защиты понятие функции преобразования является одним из основных, в третьей главе показаны примеры получения аналитических выражений функций преобразования одного фильтрового нелинейного преобразователя и одного нефильтрового нелинейного преобразователя.
В современных устройствах защиты в качестве преобразователей тока часто используются трансреакторы. Вопросы их проектирования создают известные трудности при разработке новых устройств защиты. В работе предлагается методика их проектирования.
Цель и задачи исследования. Необходимость повышения эффективности защиты асинхронных двигателей сельскохозяйственных электроустановок является очевидной. Однако при попытке практического решения вопроса обнаруживается сложная многоплановая проблема, связанная с недостаточной изученностью самого асинхронного двигателя как объекта защиты, отсутствием теоретической базы общего характера, позволяющей решать задачи анализа и синтеза различных устройств зашиты, отсутствием уравнений, описывающих работу технической системы «асинхронный двигатель - устройство защиты» и измерительных органов с необходимыми функциональными возможностями и чувствительностью. Целью исследования являлось создание базы знаний, необходимых для решения задач, связанных с повышением эффективности защиты асинхронных двигателей сельскохозяйственных электроустановок. Задачами исследования были:
-разработка общих основ теории устройств зашиты;
-исследование сложных ненормальных режимов работы асинхронного двигателя;
-исследование аварийных режимов работы асинхронного двигателя;
-получение уравнений, описывающих работу технической системы «асинхронный двигатель - устройство защиты» и исследование с их помощью поведения устройств защиты при возникновении различных ненормальных и аварийных режимов работы асинхронного двигателя;
8
-разработка измерительных органов устройств защиты с расширенными функциональными возможностями и повышенной чувствительностью.
Объект и предмет исследования. Объектом исследования являлась совокупность вопросов теории и практики повышения эффективности зашиты асинхронных двигателей сельскохозяйственных электроустановок. Предметами исследования были:
- основы общей теории устройств зашиты асинхронных двигателей;
- асинхронный двигатель как объект защиты;
- преобразователи, используемые в устройствах зашиты;
- измерительные органы устройств защиты.
Методика исследований. В работе использовался теоретико — экспериментальный метод исследований, включающий в себя формулирование исходных положений теории, получение и решение уравнений, подготовку и проведение экспериментов, анализ теоретических и экспериментальных результатов.
Научная новизна работы заключается в том, что в ней впервые построены основы теории устройств защиты асинхронных двигателей, исследованы сложные ненормальные режимы работы этих двигателей, получена альтернативная теория трансформатора, экспериментальным путем дополнительно установлены закономерности изменения основных величин при различных видах замыканий в обмотке статора асинхронного двигателя, показана возможность применения предложенной теории к решению задач повышения эффективной защиты асинхронных двигателей сельскохозяйственных электроустановок.
Реализация результатов исследований. По результатам исследований были разработаны и внедрены в производство:
- устройство зашиты электродвигателей погруженных насосов в хозяйствах Волгоградской области (устройство защищено авторским свидетельством № 1427467)
- устройство максимальной токовой зашиты повышенной чувствительности на предприятии «Волгоградские областные электрические сети»
Начиная с 1970 года результаты исследований используются студентами ВГСХА в курсовом и дипломном проектировании.
На защиту выносятся:
- основные положения теории устройств защиты асинхронных двигателей от ненормальных и аварийных режимов работы
- приложения основ теории к исследованию устройств защиты с одной и двумя контролируемыми величинами
- теория и методы проектирования некоторых преобразователей, используемых в устройствах защиты
- результаты исследования асинхронного двигателя как объекта зашиты
- измерительные органы устройств защиты с расширенными функциональными возможностями и повышенной чувствительностью
Апробация работы. Основные результаты работы доложены, обсуждены и одобрены на:
- ежегодных научных конференциях профессорско-преподавательского состава Волгоградского сельскохозяйственного института — государственной сельскохозяйственной академии по итогам научно-исследовательской работы в 1966...1970гг., 1972...1974ГГ., 1976... 1980гг., 1982...1984гг., 1986...2002гг.;
- всесоюзном совещании по проблемам электроснабжения, эксплуатации и электробезопасности сельских электроустановок, Москва, 1975г.;
- всесоюзном научно - техническом совещании по вопросам реконструкции сельских электрических сетей, г. Киров, 1977г.;
всесоюзном научно - техническом семинаре «Опыт электрификации сельского хозяйства на основе ускорения научно-технического прогресса», г. Тирасполь, 1987г.;
всесоюзной научно-практической конференции по вопросам механизации и автоматизации технологических процессов в агропромышленном комплексе, г. Новосибирск, 1989г.;
- международной научно-практической конференции по проблемам научного обеспечения экономической эффективности орошаемого земледелия, Волгоград, 2001г.
Научно-методическими основами работы являются:
- известные научные знания в области теории и техники релейной защиты электроустановок;
10
- современная теория трансформаторов и асинхронных машин и методы анализа их режимов работы;
- теория и методы решения систем дифференциальных уравнений.
Значительную роль в формировании исходных представлений о проблеме основ теории устройств защиты и определении содержания исследований сыграли работы отечественных ученых: А.М. Федосеева, Г.И. Атабекова, В.Л. Фабриканта, И.А. Сыромятникова, И.Ф. Бородина, А.М. Мусина и др. Академик РАСХН И.Ф. Бородин являлся научным консультантом по несимметричным режимам работы асинхронных двигателей.
Место выполнения. Работа выполнена в Волгоградской государственной сельскохозяйственной академии на кафедре электроснабжения сельского хозяйства и теоретических основ электротехники и на кафедре автоматизации и релейной защиты энергетических систем Московского энергетического института. Все экспериментальные исследования выполнялись в лабораториях Волгоградской государственной сельскохозяйственной академии. Испытания разработанных устройств защиты в производственных условиях проводились в хозяйствах Среднеахтубинского района Волгоградской области и на предприятии «Волгоградские областные электрические сети».
Публикации. Основное содержание работы отражено в органе Академии наук СССР журнале «Электричество» № 5 за 1975 г. и № 2 за 1978 г., журнале «Известия ВУЗов», «Электромеханика» № 6 за 1969 г., журнале «Механизация и электрификация сельского хозяйства» № 6 за 1969 г. и № 10 за 2001 г., а также в 25 работах, опубликованных в сборниках трудов ВСХИ-ВГСХА и всесоюзных семинаров, конференций и совещаний.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, выводов по работе. Изложена на 340 страницах, включает 9 таблиц, 109 рисунков и библиографический список из 280 наименований.
11
1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ, ВЫВОДЫ, НАПРАВЛЕНИЯ РАБОТЫ
1.1. Обзор литературы
Наука о защите электроустановок от ненормальных и аварийных режимов вполне обозначилась уже в начале двадцатого века. Первой отечественной книгой по релейной защите, представляющей определенный интерес до настоящего времени, является книга [1] В.И. Иванова «Реле и релейная защита», вышедшая в свет в 1932 году. В предисловии к ней говорится: «Только та система, которая достаточно хорошо защищена, гарантирует удовлетворительную работу. Эксплуатирующий современную систему инженер тогда только может хорошо ей управлять, когда кроме прочих знаний, имеет ясное представление об ее релейной защите». Эти слова не потеряли значение и до настоящего времени. Первая часть книги посвящена собственно самим реле, а вторая — релейной защите. В главе «Защита моторов» сразу обращается внимание на их особенности как объектов защиты, связанные с пусковым током, превышающим номинальный в 5 - 6 раз. Лучшим устройством защиты от перегрузок называется тепловое реле, характеристику которого рекомендуется подбирать так, чтобы она была несколько ниже тепловой характеристики мотора. Это обеспечивает отключение мотора раньше, чем он достигнет предельного перегрева. Далее говорится, что местные перегревы от внутренних повреждений тепловым реле недостаточно учитываются. И рекомендуется последовательно с тепловым реле включать максимальную токовую защиту, реагирующую на токи выше пускового. После рассмотрения целого ряда устройств защиты говорится, что защиты моторов чрезвычайно разнообразны, но все они не лишены недостатков, выявляющихся в том или другом частном случае.
Мы специально уделили такое внимание сказанному в книге, изданной три четверти века назад. Почти все это не потеряло значения и в настоящее время.
В 1938 году вышла книга Соловьева Л.Е. и Федосеева A.M. «Релейная защита» [2]. Эти две книги положили начало дальнейшему быстрому развитию в нашей стране науки о релейной защите электроустановок как отдельной
12
технической науке. Современное ее состояние изложено в фундаментальных работах A.M. Федосеева, Г.И. Атабекова, В.Л. Фабриканта [3, 4, 5].
Расчетный срок службы асинхронных двигателей связан с их надежностью, режимами работы, эффективностью защиты и условиями эксплуатации. Наиболее значительные работы по надежности этих двигателей в нашей стране принадлежит О.Д. Гольдбергу [6-12].
Защите асинхронных двигателей вообще и их защите в сельскохозяйственном производстве в частности посвящено значительное число работ. Наибольший интерес представляют работы с признаками системного подхода. Их анализ позволяет оценить общий достигнутый уровень науки в данной области. Работы частного характера целесообразно рассмотреть позже.
Основными признаками системного подхода к проблеме защиты асинхронных двигателей являются совместный анализ свойств двигателя как объекта защиты со свойствами устройств его защиты и наличие рекомендаций по решению рассматриваемой проблемы.
Наиболее крупные работы в данной области принадлежат Сыромятникову И.А., Кириллину Н.И., Мамедову Ф.А., Мамедовой Л.Ф., Мусину A.M. Ярошенко Г.П., Грундулису А.О., Овчарову В.В., Данилову В.Н., Оськину СВ., Петько Г.В., Медведеву А.А.
Первой крупной работой, посвященной режимам работы, является книга Сыромятникова И.А. «Режимы работы асинхронных двигателей», вышедшая в свет в 1950 году [13] и переизданная в 1955 году [14]. В 1963 году вышла [15] и в 1984 году переиздана [16] его вторая книга «Режимы работы асинхронных и синхронных двигателей». Позже исследования режимов работы асинхронных двигателей были продолжены на основе дифференциальных уравнений электромеханического преобразования энергии. В 1969 году вышла книга Копылова И.П., Мамедова Ф.А., Беспалова В.Я. «Математическое моделирование асинхронных машин» [17], а в 1973 году книга Копылова И.П. и Щедрина О.П. «Расчет на ЦВМ характеристик асинхронных машин» [18]. Здесь важно заметить, что в двух последних книгах выполнено исследование режимов работы асинхронного двигателя как преобразователя электрической энергии в
13
механическую. С точки же зрения повышения эффективности защиты его требуется исследовать как объект защиты. При этом основной интерес представляют его ненормальные и аварийные режимы и вопросы нагревания и охлаждения.
Используя уравнения напряжений, формулы входных сопротивлений схем замещения и электромагнитного момента И.А. Сыромятников, при соответствующих допущениях, выполнил исследования работы асинхронного двигателя при отклонениях частоты тока, напряжения и момента нагрузки от номинальных значений. Вопросы нагревания и охлаждения и влияния кратковременных перегрузок на сокращение срока службы изоляции он исследовал исходя из представлений нагревания и охлаждения асинхронного двигателя как однородного тела. Вопросы пуска им рассмотрены исходя из статических механических характеристик. Отдельно рассмотрена работа асинхронного двигателя с оборванной цепью одной фазы. Динамика пуска асинхронного двигателя с учетом электромагнитных процессов, происходящих в нем, рассмотрена в работе Копылова И.П., Мамедова Ф.А., Беспалова В.Я. [17], вышедшей в 1969 году. В том же 1969 году Кириллиным Н.И. защищена кандидатская диссертация на тему: «Исследование и разработка защиты асинхронных электродвигателей в сельскохозяйственном производстве» и опубликованы работы Будзко И.А. и Кириллина Н.И. «Расчет характеристик защит асинхронных электродвигателей из условий теплового старения изоляции» [19] и Кириллина Н.И. «Влияние погрешности срабатывания защиты асинхронного электродвигателя на тепловое старение изоляции его обмоток» [20]. В работе Кириллина Н.И. и Судника Ю.А. [21] описаны опытные образцы устройств следящего типа для контроля и защиты электродвигателей от ненормальных режимов и образцы токовой защиты. В работе Кириллина Н.И. и Румянцева Е.В. [22] рассмотрен вопрос коррекции динамической погрешности температурной защиты электродвигателей. В книге Славина P.M. [23] рассмотрены режимы работы и защиты автоматических установок животноводческих ферм. В 1970 году автором настоящей работы была защищена кандидатская диссертация на тему: «Исследование аварийных режимов
14
асинхронных двигателей и разработка принципов построения устройств защиты их в условиях сельскохозяйственного производства». В 1979 году вышла книга Мусина A.M. [24] «Аварийные режимы асинхронных электродвигателей и способы их защиты».
В собственных работах Н.И. Кириллина и в работах с его участием фактически положено начало созданию устройств защиты асинхронных двигателей в сельскохозяйственном производстве с учетом теплового старения изоляции их обмоток. Тепловая модель асинхронного двигателя в виде однородного тела дает возможность наиболее просто описать процессы его нагревания и охлаждения. В.В. Овчаров в своей работе [25] представил двигатель тепловой схемой замещения, включающий в себя два тела, но затем ввел для них эквивалентную постоянную времени нагрева и в дальнейшем использовал решение уравнения первого порядка с эквивалентной постоянной времени. А.М.Мусин использовал более сложную модель, представляющую процесс нагревания двигателя, как процесс теплообмена между тремя телами. В настоящее время при проектировании асинхронных двигателей тепловые расчеты выполняются с помощью тепловых схем замещения, содержащих значительно большее число тел [26]. В частности для закрытых обдуваемых двигателей используется тепловая схема замещения, включающая в себя 7 тел: 1) спинку статора, 2) зубцы статора, 3) пазовую часть обмотки статора, 4) лобовую часть обмотки статора, 5) ротор, 6) внутренний воздух, 7) оболочку. При этом принимаются следующие допущения: 1) в поперечном сечении машины отсутствует перемещение теплоты, что позволяет рассматривать двумерную задачу в продольном сечении машины; 2) обмотка статора заменяется эквивалентным стержнем, температура которого в поперечном сечении равна средней температуре отдельных проводников; 3) коэффициенты теплопроводности материалов и воздуха постоянны и равны средним значениям для диапазона рабочих температур; 4) теплопередача через вал не учитывается; 5) сердечники статора и ротора проводят теплоту только в радиальном направлении; 6) тепловое сопротивление между станиной и щитами не учитывается.
15
С помощью перехода от температур тел к разностям температур исходная система семи уравнений заменяется системой шести уравнений. Выполнение расчетов с помощью этой системы и систем, подобных ей, стало возможным благодаря современным вычислительным машинам. Однако наиболее разработанными пока являются методы расчета установившихся температур тел при симметричной нагрузке фаз. Проблема создания доступных для расчетной практики и обладающих требуемой точностью методов расчета неустановившихся тепловых процессов в асинхронных двигателях остается актуальной и в настоящее время. Отсутствие таких методов не позволяет получать в достаточной мере обоснованные допустимые время - токовые характеристики этих двигателей.
Неустановившиеся тепловые процессы в телах в общем случае описываются трехмерным нестационарным уравнением в частных производных второго порядка (уравнением Фурье). При представлении двигателя тепловой моделью, включающей в себя несколько тел, такое уравнение надо записать для каждого тела и найти начальные и граничные условия, необходимые для его решения.
Из-за сложности геометрических форм тел, их неоднородности и не одинакового распределения удельных потерь мощности в них, найти аналитические выражения для температур тел как функций пространственных координат и времени путем решения системы таких уравнений практически не представляется возможным. Эффективным инструментом решения таких задач является математическое моделирование физических процессов. В области защиты асинхронных двигателей в сельском хозяйстве первой значительной работой такого характера является работа Мамедовой Л.Ф. «Моделирование аварийных режимов и способов защиты асинхронных двигателей в сельскохозяйственном производстве» [27].
Одним из путей совершенствования техники защиты асинхронных двигателей является использование двух и большего числа контролируемых величин. Устройство защиты ФУЗ-У, разработанное Грундулисом А.О. [28, 29], контролирует температуру двигателя и угол сдвига фаз между двумя искусственно сформированными напряжениями, а устройство ФУЗ-М - этот угол
16
и ток двигателя. В работах Данилова В.Н. и Оськина СВ. [30-39] описаны устройства УВТЗ-5, УВТЗ-5М, ТЕРК-1, МОДУЛЬ-1, в основу которых положена схема, работающая от датчиков температуры, встроенных в двигатель, и датчика напряжения нулевой последовательности, содержащегося в фазных напряжениях сети. В работе Петько В.Г. [40] описана комбинированная защита электродвигателей от аварийных режимов, содержащая восьмиканальную структуру блока управления. Выходные величины всех восьми каналов подаются на бесконтактный ключ, управляющий магнитным пускателем. В работе Минакова В.Ф. и Шарипова И.К. [41] описана структура блочной защиты электродвигателей 0,4 кВ. Предлагаемое устройство защиты имеет три основных канала: 1) канал защиты от обрыва фазы, 2) канал защиты от перегрузки, 3) канал контроля изоляции или сухого хода. Устройство позволяет производить подключение дополнительных блоков. Выходные величины всех каналов подаются на тиристорный ключ. Сообщается, что экспериментально было установлено, что к тиристорному ключу можно подсоединять до 6 каналов без влияния их друг на друга.
Устройства защиты - одна из разновидностей устройств автоматики. В настоящее время они в основном строятся на той же элементной базе, что и устройства технологической автоматики, для которых разработана система типовых элементов. Основные отличия устройств защиты от устройств технологической автоматики определяются особенностями объектов контроля (объектов защиты) и задач, решаемых устройствами защиты. Эти отличия диктуют необходимость создания элементов специального назначения: преобразователей тока в ток, тока в напряжение, напряжения в напряжение, фильтров симметричных составляющих, реле тока, реле мощности, реле сопротивления и т.д. Устройства встроенной температурной защиты могут быть полностью построены на типовых элементах технологической автоматики по блок-схеме: датчик - согласующий элемент - реагирующий орган. Нет также принципиальных препятствий для составления блок-схем различных устройств, контролирующих токи, напряжения и их симметричные составляющие. По этой причине работы, содержание которых не выходит за пределы решения
17 |
