Вплив несиметрії напруги живлення на тепловий стан асинхронного двигуна у тривалих та повторно-короткочасних режимах роботи

Размещено на http://www.allbest.ru

ДЕРЖАВНИЙ ВИЩИЙ НАВЧАЛЬНИЙ ЗАКЛАД

«ДОНЕЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ»

УДК 621.313.333

Вплив несиметрії напруги живлення на тепловий стан асинхронного двигуна у тривалих та повторно-короткочасних режимах роботи

Спеціальність 05.09.01 - Електричні машини і апарати

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Пінчук Ольга Георгіївна

Донецьк 2008

Дисертацією є рукопис.

Роботу виконано у Державному вищому навчальному закладі «Донецький національний технічний університет» Міністерства освіти і науки України (м. Донецьк).

Захист дисертації відбудеться 19 червня 2008 р. о 15.30 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д11.052.02 ДВНЗ „Донецький національний технічний університет” за адресою: Україна, 83001, м. Донецьк, вул. Артема, 58, 8-й навчальний корпус (ауд. 8.210).

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці ДВНЗ „Донецький національний технічний університет” за адресою: Україна, 83001, м. Донецьк, вул. Артема, 58, 2-й навчальний корпус.

Автореферат розісланий 16 травня 2008 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Д11.052.02 кандидат технічних наук, доцент А.М. Ларін

АНОТАЦІЯ

Пінчук О.Г. Вплив несиметрії напруги живлення на тепловий стан асинхронного двигуна у тривалих та повторно-короткочасних режимах роботи. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.09.01 - «Електричні машини і апарати». ДВНЗ «Донецький національний технічний університет», Донецьк, 2008.

Дисертацію присвячено вирішенню актуального науково-практичного завдання оцінки теплового стану асинхронних двигунів у тривалих та повторно-короткочасних режимах роботи при несиметрії напруги живлення з урахуванням кута зсуву між симетричними складовими напруги прямої та зворотної послідовностей, зміна якого може призводити до перегріву та пошкодження АД. За результатами дослідження встановлено вплив на локальний нагрів окремих фазних обмоток статора АД не тільки величин симетричних складових прямої та зворотної послідовностей, але й зсуву за фазою між ними. Розроблено, на основі методу симетричних складових, метод визначення екстремальних значень температури та струму найбільш навантаженої фазної обмотки статора у функції зсуву за фазою між симетричними складовими напруги, за допомогою якого показано, що зміна кута зсуву між напругами прямої та зворотної послідовностей може призводити до теплових перевантажень окремих фазних обмоток статора асинхронних двигунів на 5 - 10%, і в результаті - до дострокового виходу з ладу АД при допустимій ГОСТ 13109 - 97 несиметрії напруги мережі. З метою підвищення експлуатаційної надійності удосконалено алгоритм врахування несиметрії напруги в системах контролю теплового стану АД, оснований на контролі струму найбільш навантаженої фазної обмотки статора та суми струмів статора, який відрізняється врахуванням кута зсуву між напругами прямої та зворотної послідовностей.

Ключові слова: асинхронний двигун, несиметрія напруги, кут зсуву між напругами прямої та зворотної послідовностей, тепловий стан, тривалий режим, повторно-короткочасний режим, несиметрія струмів.

АННОТАЦИЯ

Пинчук О.Г. Влияние несимметрии питающего напряжения на тепловое состояние асинхронного двигателя в продолжительных и повторно-кратковременных режимах работы. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.09.01 - «Электрические машины и аппараты». ГВУЗ «Донецкий национальный технический университет», Донецк, 2008.

Диссертационная работа посвящена решению актуальной научно-практической задачи оценки теплового состояния асинхронных двигателей при несимметрии питающего напряжения с учетом сдвига по фазе между симметричными составляющими напряжений прямой и обратной последовательностей, изменение которого может приводить к перегреву и повреждению АД.

Проведенные экспериментальные исследования и математическое моделирование теплового состояния АД в продолжительных и повторно-кратковременных режимах работы позволили установить влияние на локальный нагрев отдельных фазных обмоток статора АД не только величин напряжений прямой и обратной последовательностей, но и сдвига по фазе между ними. Предложен метод расчета угла сдвига между напряжениями прямой и обратной последовательностей, при котором достигается максимальное значение локальной температуры статора при заданном уровне несимметрии питающего напряжения и который может быть определен по данным Т-образной схемы замещения на этапе проектирования АД.

Разработан, на основе метода симметричных составляющих, метод расчета экстремальных значений температуры и тока наиболее нагруженной фазной обмотки статора в функции сдвига по фазе между симметричными составляющими напряжений, с помощью которого показано, что изменение угла сдвига между напряжениями прямой и обратной последовательностей может приводить к 5 - 10% тепловым перегрузкам отдельных фазных обмоток статора, и, в результате - к досрочному выходу из строя АД при допустимой ГОСТ 13109 - 97 несимметрии напряжения сети.

Осуществлена оценка влияния параметров несимметрии на динамику теплового состояния АД в повторно-кратковременных режимах при различных длительностях цикла, продолжительностях включения и уровнях нагрузки в рабочем периоде. В результате анализа теплового состояния АД выявлен более интенсивный дополнительный нагрев асинхронного двигателя вследствии действия напряжения обратной последовательности в продолжительном режиме по сравнению с эксплуатацией в повторно-кратковременном режиме. Поэтому при проектировании электродвигателей, предназначенных для эксплуатации как в продолжительных, так и в повторно-кратковременных режимах работы, тепловой вентиляционный расчет при несимметрии питающего напряжения, достаточно выполнять только для продолжительного режима работы.

Усовершенствован метод оценки допустимой несимметрии токов обратной последовательности статора в зависимости от параметров Т-образной схемы замещения асинхронного двигателя, который отличается учетом наиболее неблагоприятного значения сдвига по фазе между напряжениями прямой и обратной последовательностей и может быть использован при расчете уставок срабатывания устройств контроля теплового состояния АД.

Разработаны методические рекомендации по повышению эксплуатационной надежности АД в различных режимах работы при несимметрии питающего напряжения. Усовершенствован алгоритм учета несимметрии питающего напряжения в системах контроля теплового состояния АД, основанный на контроле фазных токов статора и их суммы, который отличается учетом сдвига по фазе между напряжениями прямой и обратной последовательностей и был использован устройстве защиты от тепловых перегрузок и несимметричных режимов работы УЗТН - 5м. Экспериментальные исследования, проведенные в условиях ОАО „Донецкий энергозавод”, подтвердили правильность принципов, заложенных в усовершенствованном УЗТН - 5м.

Ключевые слова: асинхронный двигатель, несимметрия напряжения, угол сдвига между напряжениями прямой и обратной последовательностей, тепловое состояние, продолжительный режим, повторно-кратковременный режим, несимметрия токов.

THE SUMMARY

Pinchuk O.G. Influence of power voltage asymmetry on thermal performance of asynchronous motors in continuous and recursive short-time modes. - The manuscript.

Thesis for candidate's degree in technical science by specialty 05.09.01 - «Electric machines and apparatuses». Donetsk national technical university, Donetsk, 2008.

The thesis is dedicated to solving a relevant scientific and practical problem of estimation of asynchronous motors (AM) thermal conditions under asymmetrical power voltage, considering phase shift between symmetrical components of voltage of direct and reverse sequences, change of which may cause overheat and damage of AM. The result of analysis of electromechanical and thermal characteristics was the fact of influence on AM local heating not only from direct and reverse sequence values, but from phase shift between them as well. The investigation result was the development of method allowing to determine currents and temperatures during the most unfavorable phase shift value between voltages of direct and reverse sequence. Practical recommendations on how to increase AM serviceability in different operating modes with asymmetric voltage have been developed. An algorithm of accounting of power voltage asymmetry in control systems and prediction of thermal state of AM used in UZTN - 5m protector has been proposed.

Keywords: asynchronous motor, voltage asymmetry, phase shift between voltage direct and reverse sequence, thermal condition, continuous mode, recursive short-time mode, asymmetry currents.

двигун напруга живлення

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Асинхронні двигуни (АД) є найбільш розповсюдженим типом електричних машин. На їх частку припадає приблизно 50% електроенергії, що споживається електродвигунами у світі, а АД потужністю до 400 кВт складають 80% від наявного парку електричних машин. Щорічно в Україні пошкоджується 20 - 25% від загальної кількості АД, що спричиняє збитки 1 - 1.5 млрд. грн.

Однією з поширених причин аварійності АД є несиметрія напруги живлення. За даними експериментальних досліджень, які представлені у літературі, до 45% відмов асинхронних електродвигунів пов'язано з порушенням симетрії напруги на затискачах АД. Поява напруги зворотної послідовності призводить до нерівномірного розподілу струмів в обмотках трифазних АД та зростання температур окремих фаз. Найбільш небезпечними виявляються несиметричні режими при зниженні напруги прямої послідовності. В цьому випадку імовірне одночасне зростання струмів прямої та зворотної послідовностей призводить до додаткового нагріву обмоток статора і ротора і в результаті - до можливого пошкодження АД. Вище перераховане свідчить про актуальність дослідження теплового стану АД у тривалих та повторно-короткочасних режимах роботи з метою удосконалення алгоритмів систем контролю теплового стану та підвищення експлуатаційної надійності АД при несиметрії напруги живлення.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Роботу виконано у ДВНЗ «Донецький національний технічний університет» у межах держбюджетної науково-дослідної теми «Удосконалення електромагнітних і теплових моделей електродвигунів в різноманітних режимах роботи та електричних апаратів з безпосередньою дією електромагнітних полів на сипкі феромагнітні матеріали» (номер державної реєстрації 0105U2204, I кв. 2005 - II кв. 2009 рр.). У ролі виконавця розроблено методику прогнозування струмів і температур елементів конструкції обмоток АД при різних характеристиках несиметрії напруги живлення.

Мета і завдання дослідження. Мета дисертаційної роботи - оцінка теплового стану АД у тривалих та повторно-короткочасних режимах роботи при різних параметрах несиметрії напруги живлення. Удосконалення, за результатами досліджень, алгоритму роботи системи контролю теплового стану АД, яка дозволить підвищити його експлуатаційну надійність при несиметричній напрузі живлення шляхом своєчасного вимкнення. Для досягнення поставленої мети вирішено такі наукові завдання:

проведено теоретичний і експериментальний аналіз впливу параметрів несиметрії напруги живлення на електромеханічні і пускові характеристики двигуна, а також на розподіл втрат потужностей в основних конструктивних вузлах АД при різних коефіцієнтах навантаження;

проаналізовано розподіл перевищень температури вузлів АД у тривалому режимі при різних видах несиметрії напруги;

дано оцінку впливу характеристик несиметрії на динаміку теплового стану АД у повторно-короткочасних режимах при різних тривалостях циклу, тривалостях увімкнення та рівнях навантажень у робочому періоді;

на основі одержаних результатів досліджень удосконалено алгоритм врахування несиметрії напруги живлення в системі контролю теплового стану АД.

Об'єктом дослідження є режими роботи асинхронних двигунів в умовах несиметрії напруги живлення.

Предметом досліджень є тепловий стан загальнопромислових та кранових АД потужністю 2 ч 400 кВт у тривалих та повторно-короткочасних режимах роботи при несиметрії напруги живлення.

Методи досліджень: метод симетричних складових з використанням Т-подібної схеми заміщення застосовано для розрахунку електромеханічних характеристик АД; метод симетричних складових з використанням системи диференціальних рівнянь у фазних координатах статора і ротора застосовано для розрахунку пускових характеристик АД; метод еквівалентних теплових схем використано для розрахунку теплового стану АД; стандартизовані методи випробувань АД для одержання електромеханічних і теплових характеристик використано для експериментальних досліджень АД; пакет програм „Matlab” застосовано для розрахунку теоретичних залежностей та обробки результатів експериментальних досліджень.

Наукова новизна одержаних результатів. Найбільш суттєвими результатами, які визначають наукову новизну, є такі:

уперше:

встановлено вплив на локальний нагрів окремих фазних обмоток статора асинхронного двигуна не тільки величин симетричних складових напруги прямої та зворотної послідовностей, але й зсуву за фазою між ними;

запропоновано метод визначення кута зсуву між напругами прямої та зворотної послідовностей, при якому досягається максимальне значення локальної температури статора при заданому рівні несиметрії напруги живлення та який може бути визначено за даними Т-подібної схеми заміщення на етапі проектування АД;

на основі методу симетричних складових розроблено метод визначення екстремальних значень температури та струму найбільш навантаженої фазної обмотки статора у функції кута зсуву між симетричними складовими напруги, за допомогою якого показано, що зміна зсуву за фазою між напругами прямої та зворотної послідовностей може призводити до теплових перевантажень окремих фазних обмоток статора асинхронних двигунів на 5 - 10%, і в результаті - до дострокового виходу з ладу АД при допустимій ГОСТ 13109 - 97 несиметрії напруги мережі;

встановлено більш інтенсивне додаткове нагрівання асинхронного двигуна внаслідок дії напруги зворотної послідовності у тривалому режимі порівняно з експлуатацією у повторно-короткочасному режимі. Це викликано меншою тривалістю дії струму зворотної послідовності у повторно-короткочасному режимі, при цьому абсолютні величини струмів зворотної послідовності у тривалому та повторно-короткочасному режимах мало відрізняються. Тому при проектуванні електродвигунів, які призначені для експлуатації як у тривалих, так і у повторно-короткочасних режимах, тепловий вентиляційний розрахунок при несиметрії напруги живлення достатньо виконувати тільки для тривалого режиму роботи;

удосконалено:

метод оцінки допустимої несиметрії струмів зворотної послідовності статора залежно від параметрів Т-подібної схеми заміщення асинхронного двигуна, який відрізняється врахуванням найбільш несприятливого значення зсуву за фазою між напругами прямої та зворотної послідовностей та може бути використаний при визначенні установлення спрацьовування пристроїв контролю теплового стану АД.

Практичне значення одержаних результатів:

розроблено методику розрахунку струмів і температур закритих обдувних АД, яка дозволяє оцінити тепловий стан електродвигунів при найбільш несприятливому зсуві за фазою між напругами прямої та зворотної послідовностей як на етапі приймально-здавальних випробувань АД, так і в умовах їх експлуатації;

визначено допустимі навантаження при несиметрії напруги живлення з урахуванням найбільш несприятливого зсуву за фазою між напругами прямої та зворотної послідовностей в режимах S1, S3 для широкого класу двигунів;

удосконалено методику оцінки допустимої несиметрії струмів зворотної послідовності статора залежно від параметрів Т-подібної схеми заміщення асинхронного двигуна, з урахуванням найбільш несприятливого кута зсуву між напругами прямої та зворотної послідовностей;

удосконалено алгоритм врахування несиметрії напруги живлення в системах контролю теплового стану АД, оснований на контролі струму найбільш навантаженої фазної обмотки статора та суми струмів статора, який відрізняється врахуванням кута зсуву між напругами прямої та зворотної послідовностей та використано у пристрої захисту УЗТН - 5м.

Практичне значення дисертації підтверджено актами про впровадження та використання результатів дисертаційної роботи. Метод оцінки допустимої несиметрії струмів зворотної послідовності статора прийнято до використання на ВАТ „Завод „Універсальне обладнання” (довідка № 705 від 27.07.2007 р.). Метод визначення екстремальних значень температури та струму найбільш навантаженої фазної обмотки статора у функції зсуву за фазою між симетричними складовими напруги упроваджено у Донецькому державному науково-дослідному, проектно-конструкторському і експериментальному інституті комплексної механізації шахт, „Донгіпровуглемаш” (акт упровадження № 6/101 від 13.09.2007 р.), на ВАТ „Донецький енергозавод” (акт упровадження № 28 - 1051 від 13.09.2007 р.) та у навчальному процесі ДВНЗ «Донецький національний технічний університет». Результати досліджень теплового стану АД упроваджено також у пристрої контролю температури і захисту обмоток асинхронних двигунів від теплових перевантажень при несиметрії напруги живлення УЗТН - 5м, який пройшов експериментальне випробування на ВАТ „Донецький енергозавод” (акт упровадження № 28 - 1051 від 13.09.2007 р.).

Особистий внесок здобувача. Основні положення і результати дисертаційної роботи були одержані автором самостійно.

Апробація результатів роботи. Матеріали дисертаційної роботи неодноразово доповідались на науково-технічних конференціях різного рівня. У тому числі на II міжнародній науково-технічній конференції (МНТК) «Управление режимами работы объектов электрических систем - 2002» (м. Донецьк, 2002 р.); на МНТК „Автоматика - 2002” (м. Донецьк, 2002 р.), на II, III и IV МНТК «Проблеми підвищення ефективності електромеханічних перетворювачів в електроенергетичних системах» (м. Севастополь, 2004, 2005, 2007 рр.); на МНТК «Електромеханічні системи, методи моделювання та оптимізації» (м. Кременчук, 2004 р.); на III МНТК “Керування режимами роботи об'єктів електричних систем 2004” (м. Донецьк, 2004 р.); на семінарі Інституту електродинаміки НАН України „Актуальні проблеми енергетичного електромашинобудування” (м. Київ, 30.03.2005 р.), на V МНТК “Моделирование и компьютерная графика” (м. Донецьк, 2007 р.), на всеукраїнській науково-технічній конференції „Електромеханіка, енергетика, електротехніка” (м. Донецьк, 2007 р.), на міжнародному симпозіумі «Проблеми удосконалення електричних машин і апаратів. Теорія і практика» (м. Харків, 2007 р.).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 18 робіт, серед них: 1 - в науково-технічному журналі, 11 - у збірниках наукових праць, 6 - в тезах доповідей.

Структура і склад дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, 5 розділів, висновків і додатків. Основний зміст дисертації викладено на 152 сторінках, з них 15 рисунків на 10 сторінках; 8 таблиць на 8 сторінках. Повний обсяг дисертації складає 246 сторінок, з них 5 додатків на 73 сторінках; 203 найменування використаних джерел на 21 сторінці.

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, сформульовано мету і завдання дослідження, наведено наукову новизну і практичну цінність одержаних результатів.

У першому розділі „Стан питання, мета і задачі дослідження” проаналізовано параметри несиметрії напруги мережі на сучасних промислових підприємствах.

Як параметри несиметрії прийнято використовувати: коефіцієнт несиметрії зворотної послідовності (К2U), відхилення напруги прямої послідовності від номінального значення () та зсув за фазою між симетричними складовими напруги зворотної (Uзв) та прямої (Uпр) послідовностей:

Дш = .

Показано, що значення коефіцієнта несиметрії (К2U) і відхилення напруги () в діючих системах електропостачання можуть значно перевищувати допустимі ГОСТ 13109 - 97 значення. Величина фазового зсуву між симетричними складовими прямої та зворотної послідовностей напруги мережі не нормується ГОСТ 13109 - 97, однак, може приймати значення від - 180о до 180о. Сформульоване завдання про необхідність аналізу впливу параметрів несиметрії напруги живлення (К2U, Uпр, Дш) на експлуатаційні (робочі і теплові) характеристики асинхронного двигуна.

Проведено аналіз методів дослідження електромеханічних і теплових характеристик із використанням вітчизняних та закордонних літературних джерел. Значний внесок у розробку сучасних методів і засобів дослідження електромеханічних і теплових характеристик асинхронних двигунів зробили: В.Я. Беспалов, О.С. Бешта, І.М. Богаєнко, О.І. Борисенко, А.М. Бурковський, Ю.М. Васьковський, Е.І. Гуревіч, В.Г. Данько, І.В. Жежеленко, О.В. Іванов-Смоленський, Є.Б. Ковальов, М.М. Конохов, І.П. Копилов, Е.Г. Курінний, Ю.О. Мощінський, В.В. Овчаров, О.М. Олейніков, В.С. Петрушин, Ю.Л. Рибін, В.Ф. Сивокобиленко, І.А. Сиромятніков, Д.І. Сіпайлов, О.М. С'янов, І.І. Трещьов, Г.М. Федоренко, М.М. Федоров, І.Ф. Філіпов, В.І. Чабан, О.П. Чорний, Г.Г. Щасливий, О.І. Яковлєв та ін. Авторами розглянуто методи розрахунку та аналізу електромеханічних і теплових характеристик АД при несиметрії напруги живлення та простежено вплив коефіцієнта несиметрії на електромеханічні і теплові характеристики АД при номінальній напрузі прямої послідовності.

Однак недостатньо вивчено експлуатаційні характеристики АД при несиметрії напруги живлення та одночасній зміні Uпр. Потребує дослідження вплив Дш на температурне поле АД. Значний практичний інтерес має визначення допустимої несиметрії струмів статора, яка не викликає перегріву при зміні навантаження на валу АД. У сучасній літературі недостатньо освітлено питання теплового стану АД у повторно-короткочасних режимах в умовах несиметрії напруги живлення. Вимагає додаткового вивчення вплив несиметрії напруги на температури вузлів при різних тривалостях циклу та значеннях тривалості увімкнення. Відповідно до викладеного вище, з метою підвищення експлуатаційної надійності електродвигунів, в умовах несиметричної напруги живлення, сформульовано завдання дослідження.

У другому розділі „Дослідження електромеханічних характеристик асинхронних двигунів при несиметрії напруги живлення у стаціонарних режимах роботи” було виконано оцінку впливу параметрів несиметрії на електромеханічні характеристики АД у тривалому режимі. З цією метою застосовувався метод симетричних складових з використанням Т-подібної схеми заміщення на прикладі АД з короткозамкненим (АД АИУМ225М4, Uн = 660В, P2н = 55кВт) та АД з фазним ротором (АД МТН111-6, Uн = 380В, P2н = 2,7кВт).

Серед електромеханічних характеристик найбільший інтерес становить розподіл струмів і втрат потужності при різних видах несиметрії живлення, які є вхідними даними для визначення температур обмоток двигунів. Результати розрахунку (рис. 1) дозволяють оцінити перерозподіл струмів при різних значеннях К2U. Було враховано, що струми в обмотках ротора при несиметрії несинусоїдальні, а діючі значення струмів в фазах ротора однакові. З аналізу результатів (рис. 1) виходить, що струми у фазах статора розподілені нерівномірно внаслідок порушення симетрії напруги живлення. Зростання струмів в обмотках ротора значно нижче (рис. 1), ніж в найбільш навантаженій фазній обмотці статора. При зміні зсуву за фазою між напругами прямої та зворотної послідовностей розподілення струмів, що наведене на рис. 1 може значно змінитись. Як приклад, на рис. 2 представлено залежності струмів статора АД АИУМ225М4 у функції Дш, при К2U = 2% і Uпр= Uн.

З аналізу результатів (рис. 2) виходить, що при деяких значеннях фазового зсуву струм найбільш навантаженої фазної обмотки статора приймає своє найменше (при Дш = Дшmin) і найбільше (при Дш = Дшmax) значення. Наприклад (табл. 1), при К2U = 10% струм найбільш навантаженої фазної обмотки статора залежно від Дш може приймати значення у межах (1.26 ч 1.42) I1н. Із зростанням несиметрії напруги ця різниця також зростає (табл. 1). Подібна тенденція означає, що температура, а тому, й строк служби АД при К2U = const і зміні Дш може значно відрізнятися. Тому важливим моментом є розробка методу розрахунку величин Дш = Дшмax, при яких спостерігаються максимальні температурні навантаження в обмотках статора. Згідно з Т-подібною схемою заміщення для прямої та зворотної послідовностей симетричні складові струмів статора визначаються:

Тоді кут зсуву між симетричними складовими струмів дорівнює:

Із (2) виходить, якщо Дш = Дцz - 180о, то симетричні складові струму однієї з фаз протилежні за напрямом (ДшI = 180о). В цьому випадку векторна діаграма (ВД) має виг-ляд (рис. 3), а значення струмів у фазних обмотках статора:

Якщо , то ДшI = 0о. В цьому випадку симетричні складові струму однієї з фаз мають однаковий напрям і ВД набуде вигляд (рис. 4). Одержані із ВД (рис. 4) струми у фазних обмотках статора дорівнюють:

, (5)

== . (6)

Із вищевикладеного виходить, що при К2U = const та зміні Дш сума втрат потужностей в обмотках статора залишається постійною (табл. 1), але значення струму найбільш навантаженої фазної обмотки статора може змінюватись від

= (при Дшmin)

до (при Дшmax).

Величину найбільш несприятливого значення зсуву між напругами прямої та зворотної послідовностей Дшmax можна одержати із (2) за умови, що ДшI = 0о. Тоді

Дшmax = ДцZ = , (7)

Для кранових та загальнопромислових АД потужністю 2 ч 400 кВт діапазон зміни кутів, як правило, складає (25о ч 70о).

Подальші дослідження впливу несиметрії напруги живлення на експлуатаційні характеристики АД виконувались для найбільш тяжкого випадку експлуатації, який має місце при Дш = Дшмax. Метод розрахунку струмів при найбільш несприятливому значенні зсуву за фазою між напругами прямої та зворотної послідовностей базується на використанні методу симетричних складових та розрахунку результуючих струмів статора за рівняннями (5) - (6).

У роботі було виконано оцінку впливу параметрів несиметрії на розподіл струмів АД різної потужності (до 400 кВт) при Дш = Дшмax. Для цієї мети було використано загальноприйнятий підхід, відповідно до якого визначальним фактором, який впливає на струми прямої послідовності, є параметр Т-подібної схеми заміщення - индуктивний опір намагнічувального ланцюга , а на струми зворотної послідовності - індуктивний опір короткого замикання . Наведені в табл. 2, 3 результати дозволяють оцінити перерозподіл струмів та втрат потужності при різних параметрах несиметрії напруги живлення для АД з = 0.15 ч 0.25, = 2 ч 4.

У третьому розділі „Електромеханічні характеристики асинхронного двигуна при несиметрії напруги живлення в динамічних режимах роботи” дано оцінку динаміки електромеханічних характеристик. З цією метою використано систему диференціальних рівнянь у фазних координатах статора і ротора. Як приклад на рис. 5 наведено залежності струмів найбільш навантаженої фазної обмотки статора та ротора при пуску двигуна АИУМ225М4 при К2U = 15%.

Також, як і у тривалому режимі, несиметрія джерела живлення призводить до нерівномірного (рис. 6) розподілення пускових струмів (I1п). З порівняння результатів на рис. 1 і рис. 6 виходить, що зростання відносних значень струмів при несиметрії напруги живлення у тривалому режимі в декілька разів вище, ніж при пуску електродвигуна. Відносне значення струму найбільш навантаженої фазної обмотки статора для АД з різною кратністю пускового струму (Кп = 3 ч 9) при різних значеннях К2U наведені у табл. 4. Як базові прийняті діючі значення пускових струмів (I1пн) при симетричній напрузі живлення. Експериментальна перевірка одержаних пускових характеристик виконувалась за допомогою інформаційно-вимірювального комплексу «Рекон». Дані знімались по десяти інформаційних каналах: для трьох фазних напруг, трьох фазних струмів обмоток статора і ротора, а також кутової частоти обертання ротору. Вся одержана інформація надходила на монітор персонального комп'ютера у графічному вигляді, а також на магнітні носії у вигляді файлів числових масивів даних. Розходження між експериментальними і розрахунковими значеннями не перевищує 8%.

Четвертий розділ „Тепловий стан асинхронного двигуна при несиметричній напрузі живлення” присвячено дослідженню теплового стану АД. Для розрахунку і аналізу теплового стану АД використовувалась еквівалентна теплова схема (ЕТС), розроблена д.т.н., проф. М.М. Федоровим, яка дозволила врахувати нерівномірний нагрів двигуна при несиметрії напруги живлення. Особливістю ЕТС є той факт, що її окремими вузлами виділено елементи конструкції кожної фази статора, що пов'язано з тим, що потужність джерел тепла в обмотках статора при несиметрії напруги може значно відрізнятись.

Нерівномірний розподіл струмів при несиметрії живлення призводить до нерівномірного розподілу температур. Зі зміною Дш (рис. 7) температури фазних обмоток статора змінюються у широких межах. Шляхом проведених досліджень встановлено, що величини Дш, при яких мають місце максимальні (Дш = Дшмах) і мінімальні (Дш = Дшmin) струмові та температурні навантаження в обмотках статора збігаються. Із табл. 5 виходить, що при К2U = const та зміні Дш локальний нагрів статора змінюється у широких межах, в результаті чого строк служби АД при постійному рівні несиметрії і різних значеннях Дш може значно відрізнятись. Наприклад (табл. 5), при нормально допустимому рівні несиметрії напруги 2% температура найбільш навантаженої фазної обмотки статора дорівнює 1.06и1н при Дш = Дшmin і и = 1.08и1н при Дш = Дшmax. Якщо прийняти середній строк служби при симетричному джерелі живлення D = 7 років, то при К2U = 2% він знизиться в 1.08 і 1.21 раз і складе 6.4 та 5.7 років відповідно при Дшmin і Дшmax. Із зростанням несиметрії напруги ця різниця також зростає (табл. 5).

Поряд із розрахунками температур вузлів у лабораторних умовах виконувались експериментальні дослідження АД з використанням методу вбудованих термоприймачів. Для формування потрібної несиметрії напруги живлення в кожну фазу АД було включено три однофазні автотрансформатори. Експериментальні температури на рис. 7 показано чорними крапками. Розбіжність між розрахунковими та експериментальними даними не перевищує 5 - 8%.

Досліджено тепловий стан АД у нестаціонарних повторно-короткочасних режимах роботи. Нагрів обмоток у цих режимах залежить від тривалості увімкнення та потужності джерел тепла на робочій ділянці. В результаті повторень циклов (tц), кожен з яких містить час роботи під навантаженням (tр) та паузу (tпз), в електричній машині має місце квазіусталений стан. Це такий стан, коли закон зміни температури и(t) повторюється в кожному наступному циклі. В квазіусталеному стані двигун відчуває найбільші теплові навантаження, тому з точки зору надійності АД його дослідження є актуальним. Розрахунок теплового стану у повторно-короткочасному режимі здійснюється за допомогою розв'язання системи диференціальних рівнянь (8). Враховано, що для АД з самовентиляцією величини теплових провідностей на робочому інтервалі і в період паузи відрізняються, тому на початку кожного циклу передбачено зміну початкових умов.

ГОСТ 183 - 74 передбачає різні номінальні значення струмів при різних тривалостях увімкнення (ТУ). Величина коефіцієнта навантаження (в) на робочому інтервалі циклу у повторно-короткочасному режимі при різних тривалостях увімкнення обиралась за умови рівності ресурсу ізоляційних матеріалів у тривалому режимі при номінальному навантаженні та симетричній напрузі живлення (D* = 1). Наприклад, для двигуна МТН111-6 струм статора, який відповідає D* = 1, в режимі S1 дорівнює 11А, в режимі S3 (tц = 1хв, ТУ = 60%) - 13.2А, S3 (tц = 1хв, ТУ = 40%) - 16А, S3 (tц = 1хв, ТУ = 25%) - 20А. Як приклад в табл. 6 представлено величини струму статора зворотної послідовності при різних значеннях К2U і ТУ в абсолютних () та відносних () одиницях. Як базові прийнято номінальні значення струмів при відповідних ТУ.

Абсолютне значення струму зворотної послідовності () не залежить від навантаження на валу АД (при в = 0.2 ч 2.0). Але відносне значення () зменшується зі скороченням тривалості увімкнення (табл. 6). В результаті більш інтенсивний додатковий нагрів внаслідок дії напруги зворотної послідовності спостерігається у тривалому режимі роботи, а у повторно-короткочасному режимі зменшується зі скороченням тривалості увімкнення (рис. 8, 9). Тому при проектуванні електродвигунів, призначених для експлуатації як у тривалих, так і у повторно-короткочасних режимах, тепловий вентиляційний розрахунок при несиметрії напруги живлення достатньо виконувати тільки для тривалого режиму роботи.

Особливістю аналізу теплового стану АД в режимі з частими пусками S4 є врахування пускових характеристик. До розглянутих раніше характеристик динаміки теплового стану додається зростання температури, яке залежить від пускового струму і тривалості пуску (). Результати розрахунку (табл. 7) дозволяють оцінити тепловий стан АД при постійній тривалості увімкнення та зміні тривалості циклу. Як базове (табл. 7) прийнято перевищення температури статора у тривалому режимі при = 1 та симетричній напрузі живлення. З аналізу результатів (табл. 7) випливає, що зменшення тривалості циклу призводить до зростання внеску у загальний час циклу і в результаті до збільшення додаткового нагріву внаслідок дії напруги зворотної послідовності. У дисертаційній роботі розроблено метод розрахунку температур при найбільш несприятливому значенні зсуву за фазою між напругами прямої та зворотної послідовностей (Дш = Дшmax), особливістю якого є застосування рівнянь (5) - (6) при формуванні вектора втрат (р) при Дш = Дшmax для системи диференціальних рівнянь (8).

Результати розрахунку, які одержано за допомогою методу (табл. 8), дозволили оцінити додатковий нагрів АД з = 0.15 ч 0.3, по'язаний зі зміною Дш. Як базова (табл. 8) прийнято температуру статора в режимі S1. З аналізу результатів випливає, що при нормально допустимому рівні несиметрії напруги 2% теплові перевантаження, пов'язані зі зміною Дш (табл. 8), можуть досягати 5 - 10%.

У дисертаційній роботі удосконалено метод розрахунку несиметрії струмів статора (K2I доп) за умови, що температура найбільш навантаженого вузла АД не перевищує допустиму (и ? идоп). На першому етапі задається шаг напруги зворотної послідовності ДUзв починаючи з Uзв = 0.01Uн. За даним навантаженням на валу АД визначаються струми зворотної послідовності відповідно до Т-подібної схеми заміщення. ГОСТ 183 - 74 «Машины электрические вращающиеся» допускає тривалу експлуатацію АД при = 0.95Uн, тому струми прямої послідовності визначаються при = 0.95Uн. Далі за допомогою методу розрахунку температур статора при найбільш несприятливому значенні зсуву за фазою між напругами прямої та зворотної послідовностей визначаються температури обмоток електродвигуна. Цей розрахунок повторюється доки отримане значення температури не буде відрізнятися від допустимого на 1 - 2%. В результаті даного алгоритму за паспортними даними електродвигуна визначається допустима, за умовами нагріву, несиметрія струмів статора (K2I доп) з урахуванням найбільш несприятливого значення Дш = Дшmax. При температурі найбільш навантаженого вузла АД, яка дорівнює допустимій, фіксується навантаження на валу АД (в) та визначається коефіцієнт несиметрії струму зворотної послідовності, який відповідає номінальному перегріву обмоток АД. Результати розрахунку (табл. 9), одержані за допомогою методу, дозволяють оцінити як повинно змінюватись навантаження на валу АД в режимах S1, S3 залежно від несиметрії струмів статора (К2I), щоб температура найбільш навантаженого вузла АД не перевищувала допустиму при = 0.95Uн, Дш = Дшmax.

Результати аналізу впливу параметрів заступної схеми і на температурне поле АД дозволяють узагальнити отримані в роботі висновки про тепловий стан АД у тривалих та повторно-короткочасних режимах роботи на достатньо широкий клас двигунів, у яких =2 ч 4 і =0.15ч0.25.

У п'ятому розділі „Використання результатів дослідження у пристроях контролю і прогнозування теплового стану АД” обгрунтовано, що у пристроях захисту АД від теплових перевантажень слід враховувати зсув за фазою між симетричними складовими напруги прямої та зворотної послідовностей. Удосконалено алгоритм врахування несиметрії напруги напруги живлення в системах контролю теплового стану АД, оснований на контролі фазних струмів статора та їх суми, який відрізняється врахуванням кута зсуву між напругами прямої та зворотної послідовностей. Наведено принципову схему вузла несиметрії для пристрою захисту АД від теплових перевантажень та несиметричних режимів роботи УЗТН - 5м і алгоритм його функціонування. Розрахунок установлення спрацьовування пристрою виконано з використанням методу оцінки допустимої несиметрії струмів статора, який удосконалено у четвертому розділі. Експериментальні дослідження, проведені в умовах ВАТ „Донецький енергозавод”, показали правильність принципів, що закладено в удосконаленому УЗТН - 5м.

ВИСНОВКИ

У дисертації вирішено актуальне науково-прикладне завдання оцінки теплового стану АД у тривалих та повторно-короткочасних режимах роботи АД при несиметрії напруги живлення з урахуванням кута зсуву між симетричними складовими напруги прямої та зворотної послідовностей, зміна якого може призводити до перегріву та пошкодження АД. За результатами досліджень удосконалено алгоритм роботи системи контролю теплового стану АД, що дозволяє підвищити його експлуатаційну надійність при несиметричній напрузі живлення шляхом своєчасного вимкнення.

Основні наукові і практичні результати роботи полягають у наступному:

1. Встановлено вплив на локальний нагрів окремих фазних обмоток статора асинхронного двигуна не тільки величин симетричних складових напруги прямої та зворотної послідовностей, але й зсуву за фазою між ними.

2. Запропоновано метод визначення кута зсуву між напругами прямої та зворотної послідовностей, при якому досягається максимальне значення локальної температури статора при заданому рівні несиметрії напруги живлення та який може бути визначено за даними Т-подібної схеми заміщення на етапі проектування АД.

3. Розроблено, на основі метода симетричних складових, метод визначення екстремальних значень температури та струму найбільш навантаженої фазної обмотки статора у функції кута зсуву між симетричними складовими напруги, за допомогою якого показано, що зміна зсуву за фазою між напругами прямої та зворотної послідовностей може призводити до теплових перевантажень окремих фазних обмоток статора асинхронних двигунів на 5 - 10%, і в результаті - до дострокового виходу з ладу АД при допустимій ГОСТ 13109 - 97 несиметрії напруги мережі.

4. Встановлено більш інтенсивне додаткове нагрівання асинхронного двигуна внаслідок дії напруги зворотної послідовності у тривалому режимі порівняно з експлуатацією у повторно-короткочасному режимі. Це викликано меншою тривалістю дії струму зворотної послідовності у повторно-короткочасному режимі, при цьому абсолютні величини струмів зворотної послідовності у тривалому та повторно-короткочасному режимах мало відрізняються. Тому, при проектуванні електродвигунів, які призначені для експлуатації як у тривалих, так і у повторно-короткочасних режимах, тепловий вентиляційний розрахунок при несиметрії напруги живлення достатньо виконувати тільки для тривалого режиму роботи.

5. Удосконалено метод оцінки допустимої несиметрії струмів зворотної послідовності статора залежно від параметрів Т-подібної схеми заміщення асинхронного двигуна, який відрізняється врахуванням найбільш несприятливого значення зсуву за фазою між напругами прямої та зворотної послідовностей та може бути використано при визначенні установлення спрацьовування пристроїв контролю теплового стану асинхронних двигунів.

6. Розроблено методику розрахунку струмів і температур закритих обдувних АД, яка дозволяє оцінити тепловий стан електродвигунів при найбільш несприятливому зсуві за фазою між напругами прямої та зворотної послідовностей, як при проектуванні АД, так і в умовах їх експлуатації.

7. Визначено допустимі навантаження при несиметрії напруги живлення з урахуванням найбільш несприятливого зсуву за фазою між напругами прямої та зворотної послідовностей в режимах S1, S3 для широкого класу двигунів.

8. Удосконалено методику оцінки допустимої несиметрії струмів зворотної послідовності статора залежно від параметрів Т-подібної схеми заміщення асинхронного двигуна, з урахуванням найбільш несприятливого кута зсуву між напругами прямої та зворотної послідовностей.

9. Удосконалено алгоритм врахування несиметрії напруги живлення в системах контролю теплового стану АД, оснований на контролі струму найбільш навантаженої фазної обмотки статора та суми струмів статора, який відрізняється врахуванням кута зсуву між напругами прямої та зворотної послідовностей та використано у пристрої захисту УЗТН - 5м.

ПУБЛІКАЦІЇ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

Статті у наукових фахових виданнях

1. Федоров М.М., Пинчук О.Г. К вопросу о влиянии напряжения обратной последовательности на электромеханические характеристики асинхронного двигателя // Збірник наукових праць Донецького національного технічного університету. Серія: „Електротехніка і енергетика”, випуск 50. - Донецьк, 2002. - С. 177 - 180.

2. Федоров М.М., Алексеев Е.Р., Пинчук О.Г. Особенности теплового состояния асинхронного двигателя в повторно-кратковременном режиме при изменении напряжения // Наукові праці Донецького державного технічного університету. Серія: „Електротехніка і енергетика”, випуск 41. - Донецьк, 2002. - С. 64 - 66.

3. Федоров М.М., Пинчук О.Г. Влияние напряжения обратной последовательности на эксплуатационные характеристики асинхронного двигателя // Наукові праці Донецького національного технічного університету. Серія: „Електротехніка і енергетика”, випуск 67. - Донецьк, 2003. - С. 61 - 64.

4. Шевченко О.А., Якимишина В.В., Пинчук О.Г. О пожарной опасности асинхронных электродвигателей, эксплуатирующихся на промышленных предприятиях // Наукові праці Донецького національного технічного університету. Серія: „Електротехніка і енергетика”, випуск 67. - Донецьк, 2003. - С. 65 - 68.

5. Федоров М.М., Пинчук О.Г. Особенности теплового состояния асинхронных двигателей при несимметричном питающем напряжении // Вісник КДПУ: Зб. наук. праць, випуск 2/ 2004 (25). - Кременчук, 2004. - С. 122 - 125.

6. Ковалев А.П., Шевченко О.А., Якимишина В.В., Пинчук О.Г. Оценка пожарной опасности асинхронных двигателей, эксплуатирующихся на промышленных предприятиях Украины // Вісник КДПУ: Зб. наук. праць, випуск 2/2004 (25). - Кременчук, 2004. - С. 88 - 91.

7. Пинчук О.Г. Тепловое состояние асинхронных двигателей в повторно-кратковременных режимах с частыми пусками при несимметрии питающего напряжения // Наукові праці Донецького національного технічного університету. Серія: „Електротехніка і енергетика”, випуск 79. - Донецьк, 2004. - С. 161 - 163.

8. Федоров М.М., Пинчук О.Г. Пусковые характеристики асинхронного двигателя при несимметрии питающего напряжения // Електротехніка та електроенергетика. - 2004. - №2. - С. 51 - 55.

9. Федоров М.М., Пинчук О.Г. Тепловое состояние асинхронных двигателей в повторно-кратковременном режиме при асимметрии источника питания // Наукові праці Донецького національного технічного університету. Серія: „Електротехніка і енергетика”, випуск 98. - Донецьк, 2004. - С. 31 - 34.

10. Пинчук О.Г. Оценка теплового состояния асинхронных двигателей в повторно-кратковременных режимах при несимметрии напряжения сети // Наукові праці Донецького національного технічного університету. Серія: «Електротехніка і енергетика», випуск 7 (128). - Донецьк, 2007. - С. 183 - 188.

11. Пинчук О.Г. Защита от тепловых перегрузок обмоток асинхронных двигателей при несимметрии питающего напряжения // Наукові праці Донецького національного технічного університету. Серія: «Електротехніка і енергетика», випуск 7 (128). - Донецьк, 2007. - С. 193 - 196.

12. Пинчук О.Г. Оценка токов и температур асинхронных двигателей при различных характеристиках несимметрии сети: методические подходы // Вісник національного технічного університету „Харківський політехнічний університет”: Зб. наук. праць. Тематичний випуск „Проблеми удосконалення електричних машин і апаратів. Теорія і практика”. - Харків, 2008. - №7. - С. 89 - 98.

Матеріали наукових конференцій

13. Федоров М.М., Пинчук О.Г. Влияние напряжения обратной последовательности на электромеханические характеристики асинхронного двигателя // Керування режимами роботи об'єктів електричних систем - 2002: Збірник тез доповідей II міжнар. наук.-техніч. конф. Донецьк, 12 - 14 вересня 2002 р. - Донецьк, 2002. - С. 83.

14. Федоров М.М., Апухтин М.В., Пинчук О.Г., Марков А.А. Особенности построения микропроцессорных систем тепловой защиты многоскоростных асинхронных двигателей // Автоматика - 2002: Матеріали міжнар. конф. з управління. Донецьк, 16 - 20 вересня 2002 р. - Донецьк, 2002. - Т. 2. - С. 152 - 153.

15. Федоров М.М., Пинчук О.Г. Электромагнитные характеристики асинхронного двигателя при несимметрии питающего напряжения // Проблеми підвищення ефективності електромеханічних перетворювачів в електроенергетичних системах: Матеріали наук.-техн. конф. Севастополь, 20 - 24 вересня 2004 р. - Севастополь, 2004. -С. 61 - 62.

16. Федоров М.М., Пинчук О.Г. Влияние несимметрии питающего напряжения на характеристики теплового состояния асинхронных двигателей // Проблеми підвищення ефективності електромеханічних перетворювачів в електроенергетичних системах: Матеріали наук.-техн. конф. Севастополь, 19 - 23 вересня 2005 р. - Севастополь, 2005. - С. 97 - 98.

17. Пинчук О.Г. Оценка влияния характеристик несимметрии на тепловое состояние асинхронных двигателей // Проблеми підвищення ефективності електромеханічних перетворювачів в електроенергетичних системах: Матеріали наук.-техн. конф. Севастополь, 24 - 28 вересня 2007 р. - Севастополь, 2007. - С. 165.

18. Пинчук О.Г. Моделирование токов и температур асинхронных двигателей при различных характеристиках несимметрии сети: методические подходы // Моделирование и компьютерная графика: Материалы 2-й междунар. научн.-технич. конф. Донецк, 10 - 12 октября 2007 г. - Донецьк, 2007. - С. 347 - 353.

Размещено на Allbest.ru