автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Комбинированная система защиты судовых асинхронных двигателей

ГОСУДАРСТВЕННАЯ МОРСКАЯ АКАДЕМИЯ имени адмирала С.О. Макарова

РГБ ОД

На пра^а>Н$<о[М1

СОЛОМОНОВА Ирина Иосифовна

КОМБИНИРОВАННАЯ СИСТЕМА ЗАЩИТЫ СУДОВЫХ АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Специальность 05.09.03. Электротехнические комплексы и системы, включая их управление и регулирование

I

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ГОСУДАРСТВЕННАЯ МОРСКАЯ АКАДЕМИЯ имени адмирала С.О. Макарова

На правах рукописи

СОЛОМОНОВА Ирина Иосифовна

КОМБИНИРОВАННАЯ СИСТЕМА ЗАЩИТЫ СУДОВЫХ АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Специальность 05.09.03. Электротехнические комплексы и системы, включая их управление и регулирование

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Работа выполнена в Государственной морской академии имени адмирала С.О. Макарова

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Жадобин Н.Е.

Официальные оппоненты:

- доктор технических наук, профессор Целемецкий В.А.

- кандидат технических наук, доцент Росляков P.O.

Ведущая организация: ЦНИИМФ (г. Санкт-Петербург)

Защита состоится «£?}>■> 2000 г. в часов на заседании специа-

лизированного диссертационного Совета Д. 101.02.01 при Государственной морской академии имени адмирала С.О. Макарова по адресу: 199106, Санкт-Петербург, В.0.21 линия д. 14.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГМА им: адм. С.О. Макарова.

Отзывы на автореферат просим направлять в двух экземплярах заверенных печатью учреждения по адресу: 199106, Санкт-Петербург, В.О. Косая линия д. 15а, на имя ученого секретаря диссертационного Совета.

Автореферат разослан «/^чхСре&Я^ 2000г.

Ученый секретарь специализированного Диссертационного Совета

доктор технических наук, профессор

Жадобин Н.Е.

ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ. На современных судах имеется большое количество электроприводов (ЭП) различных судовых механизмов, в состав которых входят асинхронные электродвигатели (АД). Общее количество АД на судах достигает нескольких сотен единиц. ЭП являются основными потребителями электроэнергии на судах (до 70% от общей нагрузки). На ЭП приходится основной объем технического обслуживания и ремонта судового электрооборудования, причем, наиболее трудоемким объектом в составе ЭП является АД. От их нормального функционирования во многом зависит безаварийная эксплуатация и эффективная деятельность судна.

АД, несмотря на свою простоту и надежность, могут выходить из строя в связи с тяжелыми судовыми условиями их эксплуатации. Чаще всего это бывает связано с перегрузками, следствием которых может явиться ( недопустимый перегрев и выход из строя обмоток АД. Таким образом, появилась необходимость в эффективных средствах защиты АД от перегрузок.

Снизить вероятность отказов судовых АД на стадии эксплуатации можно за счет постоянной оценки технического состояния двигателей и надежной защиты от перегрузок.

Анализ известных методов, способов и средств оценки технического состояния АД показывает, что они мало эффективны, а средства защиты АД от перегрузок не надежны.

Основные методы контроля технического состояния АД требуют при их использовании остановки двигателя, что приводит к неоправданным затратам.

Существующие средства защиты АД также обладают целым рядом недостатков, которые приводят к тому, что не обеспечивается надежная защита двигателей в аварийных режимах, тем самым значительно сокращается срок их службы.

Одним из важных обобщенных параметров оценки состояния АД является несимметрия токов статора. По этому параметру можно судить о техническом состоянии двигателя в процессе его эксплуатации. В настоящее время на судах не существует устройств, которые могли бы оценить состояние двигателя по этому параметру.

Таким образом, поиск эффективных методов, способов, средств оценки технического состояния АД и создание надежной защиты двигателей является для флота актуальной научно-технической задачей, требующей специальных исследований.

Актуальность исследований подтверждается требованиями таких классификационных обществ как Английский Ллойд, Германский Ллойд,

Американское бюро судоходства, а также Международной электротехнической комиссии.

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ РАБОТЫ. Целью настоящей диссертационной работы является решение научной задачи по разработке методов и средств оценки технического состояния судовых АД и созданию надежной системы защиты двигателей от перегрузок, позволяющей повысить безаварийность эксплуатации ЭП.

Для достижения поставленной цели решались следующие основные задачи:

1. Анализ отказов обмоток, способов контроля их технического состояния и средств защиты судовых АД.

2. Исследование анормальных режимов работы судовых АД, связанных с несимметрией токов статора. ,

3. Исследование анормальных режимов работы судовых АД, связанных с перегрузкой двигателя.

4. Исследование и разработка измерительных преобразователей тока.

5. Разработка комбинированной системы контроля и защиты судовых АД.

Перечисленные задачи исследования определили содержание диссертационной работы.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ. Для решения поставленных задач в работе использованы методы теории электрических цепей: метод симметричных составляющих, комплексный метод расчета цепей синусоидального тока, классический метод расчета переходных процессов, интегральное преобразование Лапласа. ,

Экспериментальные исследования проводились в лабораториях кафедр ТОЭ и ЭДАС ГМА им. адм. С.О. Макарова.

Испытания разработанной системы контроля и защиты судовых АД проводились на т/х «Ильич» и т/х «Трускавец» БМП.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ. Научная новизна результатов проведенных исследований состоит в том, что:

- разработана методика исследования несимметричных режимов работы АД, в результате чего получены основные зависимости значений токов фаз от различных параметров обмоток статора и ротора и коэффициента несимметрии;

- разработаны бесконтактные измерительные преобразователи тока с магнитопроводами на основе магнитодиэлектриков и предложена методика их расчета для АД судовых ЭП;1

- создана комбинированная система защиты АД от анормальных режимов работы;

- получены результаты теоретических и экспериментальных исследований, подтверждающие правильность разработанной методики анализа несимметричных режимов работы судовых АД.

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ РАБОТЫ. Практическая значимость диссертационной работы состоит в следующем:

- разработаны датчики тока для системы контроля и защиты АД судовых ЭП;

- разработана инженерная методика расчета датчиков тока для АД судовых ЭП;

- разработана комбинированная система контроля и защиты АД судовых ЭП.

Результаты и методы исследования, выводы и рекомендации, полученные в работе, могут быть использованы при проектировании систем защиты электрооборудования.

При внедрении разработанной системы контроля и защиты АД на судах морского флота появляется возможность повысить надежность двигателей, а, следовательно, и ЭП в целом.

ДОСТОВЕРНОСТЬ РЕЗУЛЬТАТОВ. Достоверность полученных научных результатов, выводов и рекомендаций подтверждена экспериментально лабораторными и судовыми испытаниями разработанной системы контроля и защиты АД.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Научные положения, результаты расчетных и экспериментальных исследований, составляющих основу диссерта- ' ции, докладывались автором и обсуждались на научно-технических конференциях и семинарах профессорско-преподавательского состава ГМА им. адм. С.О. Макарова в 1996-1999 гг. - •

РЕАЛИЗАЦИЯ РАБОТЫ. Результаты исследования использованы:

- при создании и внедрении на судне комбинированной системы контроля технического состояния и защиты судового АД, что подтверждено актом о внедрении. Положительные результаты опытной эксплуатации системы позволяют рекомендовать ее для широкого использования на судах;

- в учебном процессе (дипломном проектировании) на кафедре ЭДАС ГМА им. адм. С.О. Макарова;

- при демонстрации комбинированной системы защиты АД на Международной выставке по судостроению, судоходству, деятельности портов и разработке шельфа «Нева-97», Санкт-Петербург, сентябрь 1997 года, что подтверждено справкой.

ПУБЛИКАЦИИ. Основные материалы диссертации изложены в пяти научных трудах: трех статьях, двух тезисах докладов на научно-технической конференции.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы (115 наименований), приложения. Общий объем работы - 212 страниц, включая рисунки и таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении обоснована актуальность темы. Поставлена цель диссертационного исследования, в соответствии с которой сформулированы основные задачи, научная новизна и практическая значимость работы, приведены основные положения, выносимые автором на защиту и дана ее общая характеристика.

В первой главе выполнен анализ отказов обмоток судовых АД. Проведенный анализ показал что:

наименее надежными узлами АД являются обмотки статора и ротора; срок службы изоляции обмоток двигателя в процессе эксплуатации может значительно сократиться в результате старения изоляции. Основные причины преждевременного старения изоляции - низкое качество выпускаемых АД и эксплуатация в анормальных режимах работы; отказы обмоток АД являются наиболее массовым видом отказов, требующим наибольших затрат на устранение их последствий, т.к. в подавляющем большинстве случаев необходима полная перемотка обмотки статора;

низкая надежность обмоток АД вызвана в первую очередь недопустимыми перегрузками двигателя, возникающими по целому ряду причин, которые, как правило, влекут за собой несимметрию токов статора и их рост. Рост токов приводит к нарушению теплового режима работы АД, к перегреву обмоток, и, как следствие, к их отказу; для увеличения срока службы АД необходимо обеспечить надежный контроль параметров, отклонение от нормы которых, ведет к ухудшению технического состояния обмоток судовых АД. К таким параметрам относится несимметрия статарных токов.

Рассмотрены способы, методы и средства контроля состояния судовых АД. Отмечены их достоинства и недостатки. Основными недостатками являются:

необходимость выводить электропривод из рабочего состояния; использование громоздкой и сложной аппаратуры. Все рассмотренные способы контроля состояния судовых АД не реагируют на несимметрию токов фаз статора.

Рассмотрены способы защиты судовых АД, их основные достоинства и недостатки.

В настоящее время для АД используются следующие защитные устройства:

тепловые токовые реле (ТТР);

встроенная температурная защита с использованием термисторов и

позисторов (ВТЗ);

токовая защита (ТЗ);

автоматические выключатели (АВ).

Основными недостатками этих защит являются:

нестабильность характеристик ТТР;

характеристики ТТР трудно совместить с характеристикой нагревания двигателя;

ТТР не защищают АД, работающие в повторно-кратковременном режиме;

ТТР не гарантируют надежной защиты АД от работы на двух фазах; ТТР не обеспечивают защиты от перегрузки до 135% номинального тока;

ВТЗ при большой скорости нарастания температуры, вследствие инерционности срабатывает с недопустимым запаздыванием; отсутствуют методика и приборы для проверки ВТЗ в процессе эксплуатации;

ТЗ не может защитить АД от перегрева пусковыми токами, ей не свойственно суммирование нагрузок, т.е. она не учитывает предыдущего состояния АД;

защитная характеристика ТЗ не совпадает с тепловой характеристикой АД;

АВ обладают теми же недостатками, что и ТТР.

Проведенный анализ средств контроля технического состояния и защиты судовых АД выявил необходимость разработки и внедрения устройства позволяющего контролировать анормальные режимы работы двигателя в процессе эксплуатации и надежно защищать двигатель от перегрузок.

Поэтому необходимо дальнейшее решение задач по совершенствованию методов и средств контроля технического состояния и защиты от перегрузок АД судовых ЭП.

Во второй главе разработан метод исследования анормальных режимов работы судовых АД, связанных с несимметрией токов статора.

Для анализа и расчетов несимметричных режимов работы был использован метод симметричных составляющих.

Рассмотрен общий случай работы трехфазного электродвигателя при включении различных сопротивлений в фазы А, В, С (рис.1).

При расчете несимметричный участок схемы, обведенный пунктирной линией, заменяем источниками ЭДС. Схемы замещения для прямой и обратной последовательностей приведены на рис. 2 и рис.3.

Уравнения для схем прямой и обратной последовательностей имеют

вид:

Рис.1 Схема несимметричного режима работы АД

Рис. 2 Схема прямой последовательности

Рис. 3 Схема обратной последовательности

где Кп+гл+г,^,;

-сопротивления линии питания; сопротивления прямой и обратной последовательностей источника питания; 2Ь 2±2 - сопротивления прямой и обратной последовательностей электродвигателя;

1,г=1/3 с);

ГгШ^+агц+^гс);

Х'-М^+а^+агс).

Выражения для токов прямой и обратной последовательностей имеют

вид:

т __—£2 + ¿0_р

—1 ~ / Л 2 —1' 1

—21—£2 0

I ^' Е

^21 —22 £22)+ 2.0

Выражения для токов фаз имеют вид:

I =1+1 =_— £2 + _£

С^£1 + £<) X—£2 + 10) — и = а% + */2 =

/с + а2/2 = , " ^-

—^ —1 17 , 7 V V | V \ 7'7»—1

При рассмотрении нескольких вариантов подключения сопротивлений /ГА, гс получаем следующие результаты:

1) Симметричный режим

/2=0; 1в=а21, =а21А\ /с=а/,=а/А.

2) Включение двух сопротивлений в фазы А и В

1с=0, ^0.

В этом режиме изменяются значения ¿Г0, но выражения для то-

ков./], ¡2, /д, [в, ¿с остаются прежними.

3) Включение одного сопротивления ^ в фазу А

2 __+ _£

+ ¿.4 (¿2 1 + 2.22)

^ ___¿Л_^

ЗЖ^Жгг + 2 л (¿и +¿22)

2 ___^

ЗЖ21Ж12 + (Ж21 + ¿22) /в - 1 + jS{ЪZ^+2ZA) ^ 2 3121 ¿22 + ¿Л (¿21 + ¿22 )

2 ЗИ /?12 + 2 л + ¿22 )

4) Однофазный режим работы ¿в = ¿с = ¿л =00>

¿21 + ¿22

—21 + —22

Таким образом, рассмотренный случай несимметричного режима работы, когда различные сопротивления включаются в фазы А, В, С, является общим.

Другие варианты подключения сопротивлений (в две фазы, в одну фазу) и однофазный режим являются частными случаями подключения сопротивлений в три фазы.

Анализ полученных выражений для действующих значений токов /2, /д, /в, /с показал, что в общем случае 11>1г, и только в однофаз-

ном режиме /1=/г, /в=/о

Степень несимметрии электрических величин двигателя характеризуется коэффициентами несимметрии по напряжению ¡,н и по току

<зя =~у--№0%; £.=^-100%.

Л

где 11{, 1\ - напряжение и ток прямой последовательности;

Vъ 1г - напряжете и ток обратной последовательности.

Коэффициент несимметрии по току является более информативным параметром по сравнению с коэффициентом несимметрии по напряжению, т.к. он не зависит от скольжения и мощности двигателя, в отличие от коэффициента несимметрии по напряжению.

Результаты исследования анормальных режимов работы судовых АД можно записать с учетом коэффициента несимметрии по току. Тогда выражения для токов фаз будут иметь вид:

1_с=а11+а1Ц1

Учитывая полученные ранее выражения для токов прямой и обратной последовательностей 11 и можно получить зависимость коэффициента несимметрии по току £т от значений сопротивлений фаз.

В случае включения сопротивлений в три или две фазы линии питания и при условии, что:

2г1=2й=2л=0; ЪхттТа,

будем иметь

7'

1т=--—'

В случае включения сопротивления в одну фазу линии питания и при условии, что:

2г1=2:2=2П=0; Ъх-г'Та,

будем иметь

£ =-Ъ2

Исходя из полученных выражений в работе рассчитаны значения линейных токов при изменении сопротивления Хк в линии питания.

Результаты расчетов показали, что при увеличении сопротивления в линии питания фазы А растет несимметрия токов в фазах АД, как по модулю, так и по углам сдвига между напряжениями и токами пофазно. Увеличивается комплексный коэффициент несимметрии по току, а это в свою очередь ведет к росту тока в фазе В, по сравнению с номинальным, и к уменьшению токов в фазах А и С.

На рис.4 показан график зависимости относительного значения тока в фазе В от коэффициента несимметрии по току.

1,35 1,3 1,25 1,2 1,15 1,1 1,05 1

Г

20 25

Рис. 4. Зависимость относительного значения тока фазы В от коэффициента несимметрии по току-

Доказано аналитически и экспериментально подтверждено на двигателях с КЗ и фазным ротором, что несимметрия сопротивлений фаз ротора приводит не только к несимметрии токов статора, но и к возникновению биений фазных токов. Таким образом, биения в фазных токах являются диагностическим параметром, свидетельствующим о наличие обрыва стержней ротора.

Анализ анормальных режимов работы судовых АД показал, что независимо от причин возникновения, они, как правило, приводят к перегруз-

кам, которые ведут к недопустимому перегреву обмоток, что существенно сокращает срок службы двигателя.

Процесс нагрева двигателя с холодного состояния определяется уравнением его нагрева (1)

= + Сйт, (1)

где 2 _ количество тепла, выделяемого в двигателе при заданном токе; /У- теплоотдача двигателя; t - время нагрева двигателя^

г - превышение температуры над температурой окружающей среды;

С - теплоемкость двигателя.

Время, за которое двигатель достигает допустимого значения температуры, определяется из выражения (2)

(2)

I <.

где Кл — Шты - кратность тока АД по отношению к номинальному значению;

А\ - постоянная нагрева двигателя, учитывающая погрешность

защиты.

Защита от перегрузки с время - токовой характеристикой (2) достаточно точно отражает тепловой режим двигателя. Однако реализация реле с такой характеристикой связана со значительными усложнениями схемы защиты. Поэтому часто применяют более простую защиту, реализующую характеристику с время - токовой зависимостью (3)

t = (3)

к;- Г

где А - постоянная величина, зависящая от условий работы двигателя; я - величина, определяющая крутизну характеристики.

В соответствии с требованиями МЭК для защиты электродвигателя рекомендуется характеристика (4) с я=2, т.е.

/ = (4)

К] -1

Для реализации время - токовых характеристик (2) и (4) требуются довольно сложные функциональные устройства.

Прии=1 имеем время - токовую характеристику (5)

Реализация характеристики (5) значительно проще, чем (2) и (4).

Сравнение время - токовых характеристик (2), (4) и (5) показывает, что наиболее простая для практической реализации характеристика (5) при Кх <* 2,0 близко совпадает с характеристикой (2), которая наиболее полно отражает тепловые процессы двигателя (рис. 5).

При пуске двигателя выдержка времени защиты должна быть достаточной для обеспечения его разгона.

У различных АД пусковой ток 1а = (4-5-7) /,юи.

Время разгона двигателя определяется инерционными свойствами привода, параметрами и нагрузкой двигателя.

При 2,0<А-1<10 время - токовая характеристика (5) наиболее полно соответствует условиям пуска АД (рис. б).

Изменяя значение А% можно получить заданную время - токовую характеристику.

Таким образом, при построении схемы защиты от перегрузки была выбрана время - токовая характеристика (5).

Т4

5,

1

* 1.1 1д 1.5 1.4 1.* 1.» л,? 1.» 1.» а г,1

Рис 5. Время - токовые характеристики

Рис 6. Время - токовые характеристики

Третья глава посвящена разработке бесконтактных измерительных преобразователей тока.

Показано, что измерительные трансформаторы тока с ферромагнитным сердечником обладают целым рядом недостатков, не позволяющих широко использовать их в качестве датчиков тока в устройствах защиты судовых АД.

Приведены основные теоретические положения, использованные при разработке пассивного бесконтактного индукционного измерительного преобразователя тока (ИПТ).

Преобразователь выполнен в виде пояса Роговского. Первичной обмоткой служит проводник с током. Для увеличения чувствительности используется тороидальный магнитодиэлектрический сердечник, на котором равномерно намотана обмотка.

В преобразователе используется закон электромагнитной индукции

¿Ф

е = —и'—, Л

где и> - число витков обмотки преобразователя;

Ф - поток сердечника преобразователя.

Согласно первому уравнению Максвелла

А/ рА А1 г

где

Ч

; ы 7

и>

=2>,;

/=1

ка;

АI = 1/и>- шаг намотки; Ий - магнитная постоянная;

& - относительная магнитная проницаемость материала сердечник-площадь поперечного сечения обмотки.

ЭДС, наводимая в обмотке преобразователя, определяется выражением

5 Ш _ сИ

где гср - среднее значение ЭДС, наводимой в одном витке;

п=1/Л1=н'/1 - плотность намотки. 1-2пЯ - длина обмотки. При гармоническом законе изменения измеряемого тока

г = /„ вшй)/ *

т

ег = -¡лфгп8(о1т соьох.

Пассивный индукционный преобразователь может работать в двух режимах: в режиме холостого хода и в режиме короткого замыкания.

Режим холостого хода.

Выходное напряжение преобразователя связано с индуктированной ЭДС соотношением

ивых{]о>) = К{]а)Ег(]со),

где КО а) - комплексный коэффициент передачи преобразователя тока.

В этом режиме чувствительность преобразователя тока равна

5 = ^/лгп8(оК(]а) (6)

Из выражения (б) следует, что для повышения чувствительности преобразователя необходимо увеличить число витков и плотность намотки, использовать материал сердечника с большим значением магнитной проницаемости.

Пассивный индукционный преобразователь представляет звено второго порядка, комплексный коэффициент передачи которого имеет вид:

К(}й}) = ивЛ]<») = К

При работе ИПТ в устройстве защиты судового АД, когда частота тока равна 50 Гц, значением межвитковой емкости можно пренебречь, т.к. она мала. И тогда в режиме холостого хода будем иметь практически без-инерционное звено. С учетом нагрузки получаем звено первого порядка.

Режим короткого замыкания.

В режиме короткого замыкания выходной ток связан с наведенной ЭДС соотношением:

р - Т ^вых + { /? а(

Если т.е. соЬ»К,

Ж вых

то

: Уо

I '

Индуктивность обмотки преобразователя

Г • 2 5

ЬъЦфгК у,

тогда

^¡ЬИ ' т"

М? П1

Чувствительность

М> П1

Следовательно, для увеличения чувствительности необходимо уменьшить число витков и плотность намотки. Однако с уменьшением числа витков индуктивность уменьшается пропорционально квадрату числа витков - и»2, а сопротивление обмотки пропорционально числу витков - н>. При некотором числе витков и><и>мин условие а>Ь»Я становится невыполнимым.

Расчет минимального числа витков для индукционных преобразователей тока с-различными сердечниками показал, что для работы в режиме короткого замыкания требуется такое количество витков вторичной обмотки, которое не позволяет получить достаточную чувствительность преобразователя и реально не может быть реализовано.

Поэтому в качестве режима работы ИПТ был выбран режим холостого

хода.

В качестве магнитопровода ИПТ были использованы стандартные тороидальные магнитодиэлетрические сердечники на основе альсифера и пермаллоя (ИПТМ).

Результаты исследований статических режимов работы ИПТМ показали, что они имеют широкий линейный диапазон изменения вольт-амперных характеристик (ВАХ). В зависимости от материала, марки и размера магнитопровода этот диапазон лежит в пределах от 50 до 750 А.

Из полученных статических выходных характеристик ИПТМ видно, что преобразователи с одинаковыми магнитопроводами имеют некоторый

разброс значений ВАХ. Для различных марок и типоразмеров магнитопро-водов этот разброс колеблется от б до 20%. Таким образом, подбор преобразователей с одинаковыми характеристиками позволит обеспечить минимальную погрешность при работе датчиков в устройствах защиты АД.

Исследование динамических характеристик ИПТМ показало, что они практически безынерционны. Использование их в качестве датчиков тока обеспечит достаточное быстродействие защиты.

Разработана инженерная методика расчета измерительных преобразователей тока с магнитопроводами на основе магнитодиэлектриков для АД судовых ЭП.

В четвертой главе дается описание разработанной комбинированной системы контроля технического состояния и защиты от перегрузок АД судовых ЭП.

Функциональная схема системы показана на рис.7. Схема состоит из трех каналов:

- канал контроля несимметричных режимов работа АД;

- канал защиты от перегрузок АД;

- канал контроля обрыва стержней ротора АД.

Система содержит три датчика, служащих для преобразования статарных токов двигателя в ЭДС.

В качестве датчиков тока используются разработанные и описанные в главе 3 магнитодиэлектрические индукционные измерительные преобразователи тока ИЛТМ1 - ИПТМЗ.

Канал контроля несимметричных режимов работы двигателя работает следующим образом.

Рис. 7. Функциональная схема комбинированной системы контроля и защиты судовых асинхронных двигателей.

Выходные сигналы датчиков тока подаются на фильтры симметричных составляющих прямой последовательности (ФСС ПП) и обратной последовательности (ФСС ОП).

Фильтры реализованы на активных элементах. Это обеспечило высокую точность, легкость настройки и небольшие габариты системы.

На выходе каждого фильтра появляется напряжение переменного тока, пропорциональное прямой и обратной последовательностям.

Для преобразования напряжений переменного тока в напряжения постоянного тока и фильтрации в схеме имеются выпрямители В1, В2 и фильтры нижних частот ФНЧ1, ФНЧ2.

С выхода каждого фильтра снимается напряжение постоянного тока, пропорциональное соответствующей последовательности токов. В дальнейшем их будем называть напряжением прямой последовательности Ui и обратной последовательности U2.

Для сравнения токов прямой и обратной последовательностей и создания временной задержки в схеме используется интегратор И„1.

В нормальном режиме работы сигнал канала обратной последовательности U2 равен нулю, а выходной сигнал канала прямой последовательности U1 изменяется пропорционально току двигателя. На вход интегратора И„1 подается часть напряжения V,, равная %тзРъ гДе - заданное значение коэффициента несимметрии токов.

Под действием напряжения faUi интегратор будет находиться в насыщенном состоянии. I

При возникновении несимметричного режима работы двигателя появляется сигнал канала обратной последовательности U2, который подается на тот же вход интегратора. Напряжения U\ и 11г выходов ФНЧ1, ФНЧ2 имеют разную полярность, поэтому при незначительном превышении напряжения обратной последовательности U2 над напряжением прямой последовательности |T3J7, интегратор стремится в новое насыщенное состояние с другой полярностью выходного напряжения. Так как на вход интегратора подается часть напряжения прямой последовательности, то переход интегратора в новое состояние будет происходить при С/2 >£T3i7i.

С выхода интегратора сигнал подается на компаратор К1, который меняет свое состояние при подаче на его вход напряжения определенного значения и знака. Изменение состояния компаратора происходит при переходе интегратора в новое насыщенное состояние, т.е. при £А >

На выходе канала имеется релейное устройство РУ1, подающее сигнал о возникновении несимметричного режима работы двигателя.

Время перехода интегратора из одного состояния в другое зависит от значения напряжения U2. С ростом 11г время перехода уменьшается.

Таким образом, время срабатывания устройства зависит от степени несимметрии. Увеличение несимметрии приводит к уменьшению времени

срабатывания. Разработанная система позволяет изменять заданное значение коэффициента несимметрии от 0,1 до 1,0.

Как видно из описания, разработанная система позволяет контролировать несимметричный режим работы двигателя, при этом однофазный режим работы контролируется как один из случаев несимметрии.

Для защиты асинхронного двигателя от перегрузки используется второй канал, состоящий из суммирующего устройства СУ, интегратора И„2, компаратора К2 и релейного устройства РУ2.

На суммирующее устройство подаются два напряжения: напряжение прямой последовательности И\ и напряжение обратной последовательности

иг.

При симметричном режиме работы АД 1\=1а 1г~0, и2=0, поэтому напряжение прямой последовательности Щ характеризует нагрузку асинхронного двигателя.

В случае несимметричного режима где / = А, В, С. Ток в однофазном режиме

1 3 "

поэтому при перегрузке АД значение напряжения прямой последовательности V1 может быть меньше значения, при котором должно произойти срабатывание защиты.

Подача на второй вход суммирующего устройства части напряжения обратной последовательности 112 позволяет защитить АД при перегрузке в симметричном и несимметричнрм режимах работы. Выходной сигнал суммирующего устройства

где к = 0,73.

Значение к - 0,73 выбрано из условия наиболее тяжелого однофазного режима работы АД, когда

1 2 з

При заданном значении к

и1 = С/,+0,73Г/2 =[//,

где С/ - соответствует току нагрузки АД.

С суммирующего устройства сигнал подается на интегратор И„2, с помощью которого можно получить нужную время-токовую характеристику.

Время перехода интегратора И„2 из одного состояния в другое зависит от значения напряжения - перегрузки АД. С ростом время перехода уменьшается.

В дальнейшем схема защиты от перегрузки работает аналогично схеме контроля за несимметричным режимом работы.

Для контроля обрыва стержней ротора АД используется третий канал.

Он состоит из трех одинаковых подканалов ККОС1+ККОСЗ, каждый из которых имеет схему выделения огибающей, фильтр верхних частот, выпрямитель, фильтр нижних частот, компаратор.

В этом канале используются сигналы от датчиков тока ИПТМ1 -гИЛТМЗ.

Принцип работы подканалов ККОС1+ККОСЗ одинаков. Поэтому достаточно рассмотреть работу одного из них.

Сигнал от датчика тока ИПТМ1 поступает на схему выделения огибающей СВО. При нарушении электромагнитной симметрии ротора, в частности при обрыве его стержней, в токах статора возникают биения. На выходе схемы выделения огибающей, в случае обрыва стержней ротора, будем иметь сигнал пропорциональный низкочастотной составляющей сигнала биений. Фильтр верхних частот ФВЧ служит для того, чтобы убрать постоянную составляющую. Выпрямитель ВЗ и фильтр нижних частот ФНЧЗ служат для формирования постоянного напряжения, пропорционального низкочастотной составляющей сигнала биений тока статора двигателя.

Сигнал с выхода фильтра нижних частот ФНЧЗ поступает на компаратор КЗ. Изменение состояния компаратора КЗ происходит при выполнении неравенства Ь'ъ >!7устз, где £/уст3 - напряжение уставки.

Сигналы с выходов компараторов подканалов ККОС1+ККОСЗ поступают на схему ИЛИ и далее на один из входов схемы И.

В зависимости от режима работы ЭП ток АД может быть подвержен амплитудной модуляции, например при работе ЭП компрессора. При обрыве стержней ротора наблюдаются биения фазных токов, сопровождающиеся изменением их амплитуд. Таким образом, изменение амплитуды фазных токов может зависеть как от характера нагрузки ЭП, так и от обрыва стержней ротора. Но при обрыве стержней ротора возникает несимметрия токов статора, что не наблюдается при модуляции тока статора. Поэтому, для обнаружения обрыва стержней ротора необходимо иметь два сигнала: сигнал о наличии биений и сигнал о несимметрии токов статора.

Для этого в устройстве предусмотрена схема И. На второй вход схемы И поступает сигнал канала несимметрии с компаратора К1. Напряже-

ние на выходе схемы И появляется в том случае, если на ее входах присутствуют одновременно напряжение сигнала биений и напряжение сигнала превышения допустимого уровня несимметрии. Это повышает достоверность идентификации обрыва стержней ротора. Релейное устройство РУЗ подает сигнал об обрыве стержней ротора.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Выполненные в диссертации исследования позволили получить следующие результаты:

1. Показано, что при решении задач по повышению надежности судового электрооборудования целесообразно использовать систему контроля технического состояния и защиты от перегрузок АД судовых ЭП.

2. Разработана методика исследования несимметричных режимов работы АД.

3. Получены основные зависимости значений токов фаз от различных параметров обмоток статора и ротора.

4. Получена зависимость значений токов фаз от коэффициента не-4 симметрии по току.

5. Разработаны бесконтактные измерительные преобразователи тока с магнитопроводами на основе магнитодюлектриков.

6. Предложена методика расчета измерительных преобразователей тока для АД судовых ЭП.

7. Разработана комбинированная система контроля технического состояния и защиты от перегрузок АД судовых ЭП. Разработанная система контроля позволяет реагировать на несимметрию фазных токов статора.

8. Теоретические и экспериментальные исследования проведенные в диссертационной работе реализованы в системе контроля и защиты АД судовых ЭП. Положительные результаты опытной эксплуатации системы позволяют рекомендовать ее для широкого внедрения на судах. Дальнейшие исследования должны быть направлены на решение актуальной научно-технической проблемы по защите и контролю технического состояния не только АД, но и другого электрооборудования, например, судовых синхронных генераторов.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Соломонова И.И. Анализ несимметричных режимов работы асинхронных двигателей методом симметричных составляющих. Тезисы докладов на научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и курсантов ГМА им. адм. С.О. Макарова. - СПб.: 1997. - с. 53-54.

2. Соломонова И.И., Жадобин Н.Е. Система диагностирования судовых асинхронных двигателей. Тезисы докладов на юбилейной научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и курсантов ГМА им. адм. С.О. Макарова. - СПб.: 1997.-с. 51-52.

3. Жадобин Н.Е., Соломонова И.И. Ненормальные режимы работы судовых асинхронных электродвигателей и способы их защиты / Морская технология. - СПб.: АОЗТ «ЭЛМОР», 1998. -N4. -с. 27-28.

4. Сюбаев М.А., Иванов B.C., Соломонова И.И. О некоторых результатах исследования режимов работы асинхронных двигателей при несимметрии роторных обмоток / Морской транспорт. Серия «Техническая эксплуатация флота и судоремонт». - М.: 1997. - Вып. 11 (873) - 12 (874). - с. 14-20.

5. Жадобин Н.Е., Соломонова И.И. Защита рулевых электроприводов от несимметричных режимов работы и перегрузки / Научно-технический сборник. - СПб.: Российский Морской Регистр судоходства, 1998. - Вып. » 20, 42.-с. 139-149.