автореферат диссертации по энергетике, 05.14.02, диссертация на тему:Анализ переходных процессов и повышение надежности работы асинхронных двигателей в условиях энергосистемы Иордании

Новочеркасский ордена Трудового Красного Знамени политехнический институт имени Серго Орджоникидзе

На правах рукописи

ЗЕЙДАН Махмуд

АНАЛИЗ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ й ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ РАБОТЫ АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ В УСЛОВИЯХ ЭНЕРГОСИСТЕМЫ ИОРДАНИИ

Специальность 05.14.02 — «Электрические станции (электрическая часть), сети, электроэнергетические системы и управление ими»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Новочеркасск 1990

Работа выполнена в Донецком ордена Трудового Красного Знамени политехническом институте-

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Сивокобыленко В. Ф.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, доцент Кужеков С. Л., кандидат технических наук Коваль А. Ю.

Ведущее предприятие

Укрэнергоироект УССР, г. Донецк.

Минэнерго

Защита диссертации состоится « » 1990 г.

в на заседании специализированного сове-

та Д. 063.30.01 Новочеркасского политехнического института (346400, г. Новочеркасск Ростовской обл-, ГСП-1, ул. Просвещения, 132).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Новочеркасского политехнического института.

Автореферат разослан «

1990 г.

Ученый секретарь специализированного совета

Н. Ф. Евснн

- 3 -

ОШДЯ ХАРАКТЕРИСТИКА. РАБОТЫ

45!Ш!2ьность_темы_. Задача ускорения развития энергетического производства стоит не только перед промьшленноразви-тыми странами, но и является первой необходимостью для решения острых социальных и.экономических проблем, возникающих перед странами, ставшими на путь независимости. Примером таких стран является Иорданское Хашимитское Королевство. Государственна планом Иордании ставится задача быстрого увеличения установленной мощности в стране-, 'которая не превысила 350 МВт в 1955 г., достигала выше 1000 МВт в 1989 г. и составит 1200 МВт в 1995 г. Основными потребителями электроэнергии в энергосистеме Иордании в настоящее время являются электродвигатели, слукащиз приводом механизмов различного назначения.

К числу предприятий, использующих асинхронные электродвигатели и продукция которых экспортируется также и за рубек, относятся : комбинаты по добыче минкральных солэй, на каждом из которых установленная мощность асинхронных короткозамкну-тых двигателей (АД) составляет порядка 30 МВт ; водонасосные станции, на которых для. привода насосов используются АД с фазным ротором единичной мощностью 800 кВт и более, цементные и нефтеперерабатывающие заводы и др. Указанные потребители питаются от энергосистемы Иордании, что повышает надежность ух работы. Однако при коротких замыканиях и 'фаткозременных перерывах питания, что в условиях энергосистемы Иордании наблюдается достаточно часто, имеют место случаи массового отключения двигательной нагрузки, приводящие к нарупению технологического режима и экономическому ущербу.

Для повышения надежности работы энергосистемы и потребителей требуется исследование динамических характеристик двигательной нагрузки, разработка методики и анализ режимов самозапуска. Отсутствие исследований, анализа указанных режимов не позволяет качественно решать вопросы проектирования и эксплуатации ряда новых промышленных объектов с преобладающей асинхронной нагрузкой (крупная станция Аль-Магарин, новый комбинат

на добыче ншеральных. удобрений-и др.),. В связи с -изложенным, вопросы анализа переходных процессов повышения надежности работы асинхронной нагрузки в условиях энергосистемы Иордании являются весьма актуальными. :

Дельп_осботы являемся анализ' переходных процессов асинхронной нагрузки и разработка' рекомендаций для повышения надежности ее работы в условиях энергосистемы Иордании,

В соответствии с поставленной целью в работе .решались следующие основные задачи :

X. Анализ -рскалов работы •асинхронной нагрузки в условиях энергосистемы Иордании. _

2. Разработка методики и про-траммы расчета на ЗЕ',5 параметров схем замещения асинхронных двигателей с фазным и коротко-замкнутым ротором по каталожным данным.

3. Анализ динамических характеристик- асинхронных двигателей с фазным и короткозамкнутьм ротором в. -режимах пуска, 'самозапуска, короткого замыкания.

4. Исследование группового самозапуска асинхронной нагрузки основных потребителей энергосистемы Иордании - заводов минеральных удобрений-и -водонасосных станций.- Разработка рекомендаций по зювыгеняо надежности работы указанных потребителей при кратковременных' перерывах питания и анормальных.режимах энергосистемы.

512Д и £ £2 В § У _• ' Рзизние поставленных вопросов осуществлено на-базе методов ;/.атематического моделирования, обдей теории переходных процессов мага-ш.-переменного тока, а 7аиг.о вычислительной математики .(численных методов анализа, вычислительных экспериментовметодов оптимизации и.ккнэдиза-ции ). ' '-, -•'

'диссертационной работы состоит в следу»- . цем : ' ' . ■ '

I-» Установлено, что длд двухконтуркой схемы зачтения ро- ' тора АД параметры первого контура можно принять рагиыми входам сопротивлениям ротора при номинальном скольжении, а параметры второго контура, как разность ие;зду входкй.:и сопротивлениями АД и первого контура при £ =Т . Это поз юлило разрабо-

тать инженерный метод определения параметров эквивалентных схем замещения АД по каталожным данным. По сравнению с известными, метод позволяет упростить расчеты при увеличении погрешностей. не более чем' на 2 * 3 %.

2. На основе анализа результатов численного решения диф-.ференциальных уравнений АД э режимах пуска и самозапуска установлено, что значения добавочных активных и индуктивных сопротивлений э цепи фазного ротора АД необходимо определять из условия минимкзаци...времени пуска при заданных ограничениях на допустимые значения ударных токов.и моментов 1 Зто позволило усовершенствовать' методику- выбора добавочных сопротивлений в цепи ротора АД и обосновать допустимость применения самозапуска для АД с фазным ротором.

3. Установлено, что для узлов энергосистем с асинхронной . 'нагрузкой анализ режимов группового самозапуска АД после перерывов, питания свыае I с может производиться по предложенной в работе математической модели,'основанной на уравнениях для квазистационарных режимов. Погрешность расчетов при этом не превышает 5%, а затраты машинного -времени по сравнению с моделями, основанными на полных дифференциальных уравнениях элементов сети, снижаются в 7-10 раз.

4. Установлены условия успешого самозапуска АД с фазным ротором в многомашинных системах электроснабжения. При потере рабочего питания остаточное напряжение на зажимах АД поддерживается в течение 1-2 сек. Поэтому переключение.питания при работе АЕР должно^ производиться с вццержкой времени не менее 0,5 с для предотвращения 'недопустимо 'больших динамических ударных токов и. моментов в двигателях и неправильных действий устройств релейной запиты элементов сети.

_Ш§51ИН££5^д_уенность работы заключается в следующем :'

I. Обоснована целесообразность применения для асинхронных двигателей с фазными роторами на насосных станциях Иордании схемы пуска АД с включением в цзпь ротора параллельно соединенных индуктивного и активного сопротивлений, что позволяет сократить число ступеней переключения в цепи ротора, улуч-

шить условия пуска и самозапуска,- а следовательно -повысить надежность работы привода..

2. Впервые для промышленных объектов Иордании с крупными асинхронными нагрузками создан банк данных параметров .схем .замещения асинхронных двигателей., .выполнены исследования режимов 'пуска ;и самозапусха ДД сояээтственных потребителей -и разработаны -рекомендации :по навааеийз -нндагчости .их работы.

3. Для ответственных лсгсгре'бителей .с двигательной нагрузкой на основе результатов 'научных -исследований разработаны рекомендации, позволяющие повысить .устойчивость работы асинхронных двигателей в переходных режимах., уточнить уставки ре- ■ лейной защиты и автоматики элементов сети, что позволит снизить длительность нарушения нормальной работы АД и связанный

с этим экономический ущерб.

Аггообаукя_паботы . Основные положения диссертационной работы доложены на У1 и научно-теоретических конференциях зарубежных специалистов (г.Донецк, 1987 г., 1989 г.) ; на научно-технических конференциях по итога« НИ? Донецкого политехнического института (г.Донэцк, 1983г., 1989г.) на У Всесоюзной научно-технической конференции "Динацически-э режимы работы электрических машин и электроприводов" (г.Каунас,1938г.) ; на мелсреспубликанской научно-технической конференции студентов и аспирантов КЭТИ "Проблемы экономики энергетических, материальных- и трудовых ресурсов" (г.Новосибирск ,1990 г.).

Результаты работы внедреныа используются в Министерстве водоемов и ирригации -Иордании.,' АраГбскоГ: Корпорации ЛТД Поташ, в НИР к учебном .процессе :-к£йедры "".Электрические станции" Донецкого политехнического '-института.

Публикации... Структура и объем работы. По основным полосе-' над диссертационной работы опубликовано три печатные работы. .-, . Диссертация состоит из введения,- 4 глав, заключения и содержит-238 страниц, 70 рисунков, 44 таблицы. Библиография состоит -из -95 наименований источников. ' ' ■

- ? -

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

показано, что для энергосистемы Иорданки характерны частые аварии с отключением основного оборудования электростанций и питающих ЯоП, значительные отклонения от номинальных уровней напряжения и частоты. Отмечено, что режим самозапуска двигателей еще нэ нашел кирокого применения. Одной из причин этого является недостаточная изученность этих вопросов для условий Иорданской системы. Требуется разработка мероприятий по повышению надежности, .работы узлов энергосистемы с асинхронной нагрузкой (насосные станции, заводы минудобрений и др.). Отмечено, что на насосных станциях, используются АД с фазным ротором. Одной из особенностей режимов работы насосных .станций является возможность гидравлических ударов з гидросистеме при перерывах электропитания. Наличие таких режимов требует исследования допустимости режимов пуска под нагрузкой, самозапуска и возможности их использования для позьпения надежности работы станций.

Описаны особенности схемы электроснабжения заводов минеральных удобрений. Показано, что требуется анализ переходных процессов асинхронных коротнозамкнуткх двигателей, получающих питание от различных трансформаторов завода.

Втооая_гллва посвящена исследованию переходит режимов работы АД с фазным и короткозамккутым ротором. Разработана математическая модель зт.::х двигателей, которая реализована в виде программы определения параметров схемы замещения АД по ката. лот.ным данным и программы расчета пусковых характеристик АД.

Известно, что для улучшения пусковых характеристик АД с фазным ротором производится включение в цепь ротора добавочных активных сопротивлений. Количество степеней указанных сопротивлений выбирается, как правило, с использованием статических характеристик, не позволяющих учитывать броски токов и моментов, возникающих при переключениях ступени. Предложена методика выбора оптимальных значений сопротивлений отдельных

ступеней с помощью модели АД, основанно.* па полных дифференциальных уравнениях Парка-Горева.

Показана возможность использования для асинхронных двигателей с фазным ротором режимов самозапуска после кратковременных перерывов питания (рис.1). Исследования показали, что АД с фазным ротором имеет более низкие ударные токи' и моменты о режимах пуска, короткого замыкания и самозапуска .

Рассмотрен также вопрос использования в качестве пускового добавочного активного'и индуктивного сопротивления, включенных параллельно в цепи ротора (рис.Е,а).

Функциональные зависимости результирующего сопротивления ротора.^(ы), при .этом приблизительно такие же как у АД с

глубокопазнь;л .ротором, а зависимость'характера вращающего момента представлена на рис.2,б.

Разработана методика оптимизации параметров ^ , ^ , являющихся функциями пускового тока, •момента и времени пуска , • ,

Параметры находятся из условия минимизации рг-з^они пуска с учетом ограничения на ударные значения тока, и момента. Расчеты производятся с использованием дифференциальных уравнений .Парка-Горева, а которых учтены добавочные сопротивления в цепи ротора , " : - '. ' . ' : ' , ' • ••

Ч'^бб^ * ^Л) М-

OS OS 0 t¿

/%--£7S Л/e.f.

- 10-V

V

4.-IL.ÇJ

ytvi

im щ

a

0.5

0.603

^g-o.m i

4 .Xq'rO.fs!? i -i ' 1 s ! i ! ' t \

• 1 s ! 1 1 5

аз

0.7 û.s û.ff û.e.

Для повышения надежности работы дзих-агелей в условиях насосных станций Иордании предложено изменить схему пуска с многоступенчатым переключением добавочного сопротивления з цепи ротора на схему с одноступенчатым актизно—индуктивным сопротивлением з цепи ротора.

3_тоэтьей_главб разработан алгоритм расчета режима самозапуска АД в системе' э л е к тр с с н а б z к и я заводов минеральна удобрений. Для расчета группового самозапуска двигателей используются многокснтурнкз схемы замещения АД, которые достаточно полно окзизалентирую? келик'ейныэ зависимости роторных сопротивлений f^CS) и X„(S) s широком диапазон-з изменения скольгсения, Определены параметры схем замещения оонзсных АД и других элементов схемы электроснабжения и выбраны расчетные реавмя. Прозздан анализ режимов группового сакоззпуска АД с? незагружзинас и от предварительна загружен«»: трансформаторов. Рассмотрены рсжккц самозагуска лося? кратко-гремонкьк nopsptr-203 питания, вызванные коротким;; за^кьнкями. РазраСотаиу ps~' комеядации и сделаны выгоды по повыгзнкэ яздежности работа систем электроснабжения с двигательной нагрузкой.

3êS£SES3'1-£3âsi йо-сзщенa анализу пезеденил АД в анормальна режимах работа энергосистем.« Иордания, Известно, что при поименной чаетот-з и йскиааяьнок кгпрякзиии длительная работа нагруженного АД к? допускается из-за 80гм0я.'0П) перегрева двигателя, созванного увзяикикем мвгкккюго потока я тока намаг-нкчМЕанйя. На практика в случаях ври ск'.^оп'л'л частоты по-нижаюгк .наяряг.ение, до^кгаясь rpn;.ispi:ora г;ь-полнолпя соотношения Cûnsi . модель ЛД для анализ а "переходив арецассаа при ^окженн:,^ значениях напряжения и частоты s онс-ргссистемгх, Вязояиеш кселбдсгзаннл 'группового еамоззпуска АД кр:$ яонягекком напряжен;« и ч&егбге г" гзнерго-. системе Иордании. -Исследсзая« лзроходшзз .процессы дзгаагояыгоЯ нагрузки -при анормальна резкуэк работ енсргсснсте:«,- Иордании с напряжением (0,8*1,1 й -частой 45 ¿50 Гц .

По условиям обвея&чон'ля усягкюго группового самозагтуска

- 12 -

двигателей бслызикства промышленных предприятий Иордании, на- . пряжение в энергосистеме Иордании должно составлять не менее 0,95У„ом » а частота - не ниже 45 Гц.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе выполнения работы получены следующие основные результаты :

1. Установлено, что для двухконтурной схемы, замещения ротора АД параметры первого контура можно принять равными вход-нш сопротивлениям ротора при номинальном скольжении, а параметры второго контура, как разность между входными сопротивлениями АД и первого контура при £ =1 . Это позволило разработать инженерный метод определения параметров эквивалентных схем замещения АД по каталожным данным. По сравнению с извест-нши , метод позволяет упростить расчеты при увеличении погрешностей не более чем на 2. * 3

2. На основе результатов численного решения дифференциальных уравнений АД в режимах пуска и самозапуска установлено, что значения добавочных активных и индуктивных сопротивлений в цеш: фазного ротора АД Необходимо определять из условия минимизации времени пуска при заданных•ограничениях на допустимые значения ударных токов и моментов. Это позволило усовершенствовать методику выбора добавочных сс.тротквлений в цепи ротора АД и обосновать допустимость применения самозапуска для АД с фазным ротором.

3. Для повышения надежности работы АД с фазным ротором рекомендуется применяемую в настоящее время в Иордании многоступенчатую схему пуска с добавочным активным сопротивлением в цепи ротора, заменить на одноступенчатую схему пуска с включением в цепь ротора реактора, защунтированного активные сопротивлением. Для выбора оптимальных параметров указанных элементов, разработана методика получения обобщенных характеристик, основанных н_ анализе пусковых режимов АД по дифференциальным уравнениям Парка-Горева.

4. Установлено, что для узлов энергосистем с асинхронной нагрузкой анализ режимов группового самозалуска АД после перерывов питания свыше I с может производиться по предложенной в работе математической модели., оснозашой на уравнениях для квазистационарных режимов. Погресность расчетов при этом не превышает 5 % , а затраты машинного времени по сравнению с моделями, основанными на полных дифференциальных уравнениях элементов сети, снижается а 7 - 10 раз.

5. Установлены условия успешного самоэапусна АД о фаэнш ротором в кногсиаакннж системах электроснабжения. При потере рабочего питания остаточное напряжение т зажимах АД поддерживается в течение 1-2 сек. Поэтому переключение питания при работе АВр. должно производиться с ввдержкой времени не менее 0,5 с для предотвращения недопустимо больших динамических ударных моментов.в двигателях и неправильных действий устройств релейной защиты элементов сети.

6. Разработан алгоритм и цифровая математическая модель для анализа реяим^в группового самозапуска з узлах энергосистемы Иордании с двигательной нагрузкой для нормальных и анормальных режимов работы.

7. Выполнены исследования грушовог-о самоз-злуска двигательной нагрузки наиболее взжных потребителей Иордании насосных станций и заводов минеральных удобрений. Показано, что для- последних, по условиям успешного самозапус-:<а АД, перернви питания не должны прзвкшать 2,5 сек, а загрузка трансфокаторов ( ТА-'/"¿) в послеа^арийних режимах долкна быть не .более 120 %■ от номинальной. '

Для обеспечения условий самозапуска .рекомендуется .зкци-ту минимального напряжения выполнить двухступенчатой: первую ступень с Бьщер:?кол времени 0,5 сек -.на отключение неотеот.1?-шшкх двигателей, а вторую с выдержкой времени 10 сек- - на отключение Л очереди двигателей с цоль» ирздотппа{г;онмя повреждения двигателей в реаимгь: неуспешного самозапуска>

- ¡4 -

8. Исследованы переходные процессы двигательной нагрузки при анормалышх режимах работы энергосистемы Иордании с напряжением (0,8 4-1.1 и частотой 45 т 50 Гц.

пом

По услоьпдм обеспечения успешного группового самоэапуска двигателей бсльпинетва промышленных предприятий Иордании, напряжение в энергосистеме Иордании должно составлять, не менее 0,95^^' , а частота - не ниже 45 Гц.

При пон1а.--);:и.чх частоты в знергосистйме условия группового самозапуске электродвигателей облегчается. Однако, для предотвращения перегрева двигателей при понижении частоты необходимо понижать и напряжение, в результате чего условия пуска и самозапуска двигателей остаются такими же как в нормальном режиме или же более тяжелыми.

Основные научные результаты диссертационной работы представлены в публикациях

1. Сивокобыленко БД1., Зейдан Махмуд. Выбор пусковых сопротивлений е цепи АД.с фгэнк.1 ротором на основе анализа динамических характеристик Известия вузов.-"Электромеханика", 1990 , Кб, С.100-104.

2. Зейдан Махмуд. Исследование динамических характеристик ■ асинхронных электродвигателей.с фазным ротором // Динамические режимы работы электрических машин и-электроприводов // Тез. докл. У Всесоюзной научи.техн.конф. -Каунас,1983,4.1.0.57-58.

3. Зейдан Махмуд- Выбор'пусковых сопротивлений в цепи АД с фазным ротором // Проблемы экономику энергетических, »материальных и трудовых ресурсов// Тез. докл. ,П Всесскз.научи, техн.кокф. - Новосибирск,2990, 4.1, С.62.