автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Моделирование режимов работы и диагностика электроприводов с асинхронными короткозамкнутыми двигателями

^ " ..л

ДОНЕЦКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

На правах рукописи

НАСИР АХМАД ФАЗИЛИ

МОДЕЛИРОВАНИЕ РЕЖИМОВ РАБОТЫ И ДИАГНОСТИКА ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ С АСИНХРОННЫМИ КОРОТКОЗАМКНУТЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ

Специальности: 05.09.03 — «Электротехнические комплексы и системы, включая их управление и регулирование»; 05.09.01 — «Электрические машины»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ДОНЕЦК — 1993

Работа выполнена в Донецком ордена Трудового Красного Знамени политехническом институте.

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Сивокобыленко В.Ф. Офицалыш^- оппоненты:

доктор технических наук, профессор Шкрабец Ф.П. доктор технических наук, профессор Дудник М.З.

• Ведущее предприятие - Всеунраинский научно-исследова-тэльский институт по взрывозащитному влектрооборудованию "ВНИИВЭ", г.Донецк

Защита состоится 50 сет^ьзэз г. в-/1/ час. в ауд. 1. 1-го учебного корпуса на заседании специализированногоЧзов К оба.20.01 Донецкого политехнического института (340000 г. Донецк, ул. Артема, 58,ДЛИ)

V)

С диссертационной работой можно ознакомится в библиотеке института.

о

Автореферат разослан «ОН иКХЛ£и 1993 Г.

Ученый секретарь специализированного совета, канд. техн; наук, доцент

Сидоренко И.Т.

ОВЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность проблемы. Задача ускорения развития .торгетического производства стоит не только перед промышленно ззвитшяи странами, но и является первой необходимостью для зквкяя острых социальных и вконоютческих проблем, возникающих эрэд странами ставшими йв путь независимости, Государственным паном Афганистана ставится задача быстрого роста становлэнной мощности электростанция и потребителей. За зсколько лет мощность уже возрасла с 250 МВт до 1000 МВт. стенными потребителями электроэнергии в энергосистеме Бганистана в настоящее время является асинхронные лектродвигатели (АД) с коротокозамкнутым ротором, служащие рпводом механизмов различного назначения.-

Однако удельные поврэвдения АД достаточно высокие, так ак екегодно поврэкдавтся свыше 20 -25% от общего количества становленных двигателей. Главными причинами этого являются :

- тяжелый пуск -•крупных АД. мощность которых соизмерима с ощностью источников питания;

- неравномерность суточного графика активной нагрузки и □стабильность н нэсимметрия по фазам напрявения, от которого пталтся АД. Отклонения напряжения в течении суток достигает 20% ином, перекос напряжения по фазам в ряде случаев остигвет до 25 5? ином, часто наблюдаются обрывы одной из фаз ри перегорании предохранителей в сетях б и 0.4 кВ, частота

питающей сети в течении суток изменяется от 50 до 47 Гц.

,Яак показывает опыт эксплуатации ДЦ такие условия их аботы приводят к частым повреждениям. При этом чаще всего роисходит повреждение стержней короткозамкнутых обмоток оторов.' Нередко деформированные стеряни ротора разрушают

1

также обмотку статора.

Вопросами анализа переходных , процессов и диагностик] электроприводов с АД посвящены работы: МЭИ, ДЛИ, ОПИ и др., I также видных ученых Н.П.Костенко, К.П.Ковача, М.М.Соколов! В.Ф.Сивокобыледсо, Г.Г.Рогозина, ИД.Сыромятнинова," М.З.Дудн , Гаяшмова М.А и др.

Однакд до сих пор аффективные методы предупревдающ испытаний и диагностики электроприводов о АД мало разраб< таш, что ' наносит значительный экономический ущерб.

Таким образом", основное научное цротиворечие заключает!

в том, что практика . эксплуатации АД требует разработ!

аффективных и простых методов диагностики, позволяющих выяви'

напичле поврежденных ' стершей в короткозамкнутой обмон

ротора, а существующие методч не позволяют решить ату задачу

Актуальность данной работы заключается в том, что 01

посвящена повышению надежности работы асинхронной нагрузю

являющейся основным потребителем в энергосистеме Афгашстаи

Ставится задача изучения стационарных и переходных рент

работы электроприводов с АД при указанных выше условиях з

разработки болев эффективных способов их эксплуатации.

^ Цель работы: изучение закономерностей •протекай

переходных и стационарных процессов в АД при повревденш

стершей короткозамкнутой обмотки ротора и несимметрии пита!

о

щаго напряжения для выявления наиболее информативных параме: ров, позволяющих осуществлять диагностику электроприводов с J и .повысить надежность их работы.

Основная идея работы: разработать математические модел! АД и использовать выявленные особенности протекания стациона] ных и переходных процессов в электроприводе с асинхронном да гателем с поврежденными стержнями в ротора и разным характере момента сопротивления на валу для разработки зйвктивш методов диагностика:. „

Задача исследований:

- разработка цифровой математической модели асинхронной шшш с симметричными статором и ротором длл ■ анализа ационарных и переходных режимов при симметричных п симметричных напряжениях питающей- сети;

- разработка цифровой математической модели асинхронного вктропривода с симметричной обмоткой статора АД и иесимиот-:чной обмоткой ротора из-за обрыва к'ороткозамквутых стершей с . разным характером момента сопротивления на палу АД для :олиза стационарных и переходных режимов при симметричных несимметричных напряжениях шггащей сети;

- изучение закономерностей ирот .сания стационарных и ¡роходных процессов в АД с помощью указанных вы1ие моделей;

- разработка методов диагностики электроприводов с АД,поз дающих оценивать•состояние короткозамкнутой обмотки ротора АД.

Основные научные результаты, их новизна и положения

выносимые на защиту:

1. Разработанная математическая модель электропривода с I для анализа стационарных и переходных, симметричных и ¡симметричных режимов работы, отличающаяся ■ использованием злнызв дифференциальных уравнений для питающей сети и АД с югофазннм ротором, число фаз которого принимается ровным зличеству .короткозамкнутых стержней; I

2. Закономерности протекания переходных и стационарах эоцессов в электроприводе с АД при наличии в нем иоврездешшх гержней в роторе и выявленные наиболее информативные параметри, ярактерисуюдив эти повреждения, к которым относятся эзникагщие пульсации токов статора, потребляемой активной згцности, скольжения,зависящие от количества повревдвшнх ' гожией в роторе и характера момента сопротивления на пплу.

Iй

т. Способ диагностики асинхронной нагрузки олектри-

г

всквх систем , посволящтТ рс> дпнш.;м замеров токов и 3

мощностей в питанием трансформаторе и в отдельных двигатвлг выявить появление неисправностей в электроприводах с АД.

4. Диагностические кривые АД, основанные на оценке коле башя тока статора и потребляемой акгиеной мощности, позволя! щие осуществлять диагностику электроприводов с АД. Методщ и способы расчета диагностических кривых, рекомендуемых да принятия в качестве типовых для различных серий АД

и

Достоверность научных ' положений: подтверждаете корректным использованием классичзской теории переходи процессов машин переменного тока, обоснованностью принят! допущений, удовлетворительным совпадением результатов расчет и эксперимента.

лучное значение работы заключается в развитии метод( математического моделировани: асинхронной нагрузки стационарных и переходных режимах при несимметрии напряжения питающей сети и наличии повревденных стержней короткозамкнутой обмотке ротора, в также в разработав нош методов диагностики АД.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

1. Для промышленных объектов Афганистана с асинхронны: нагрузками выполнены ; исследования електродинамичасю переходных процессов для различных режимов работы АД разработаны рекомендации по повышению надежности их работы.

2. Для ответственных потребителей с . двигатель» нагрузкой на основе .результатов научных исследов! ний разработаны рекомендации по диагностике электропр] водов с АД и выявлению в них неисправностей в обмотк: ротора. Составлены диагностические кривые, □ помощ] которых по . данным измерений стационарных , . режим* производится контроль состояния АД. Это позволз

сократить объем повреядений АД и гоеыспть н8Д5.кность работа потребителей.

3. Разработан вариант устройства, выявляющего повреждение в ротора в нагрузочных режимах работы АД с разными моментами сопротивления на валу.

Реализация результатов- работы: Результаты исследования переходных режимов асинхронной нагрузки и разработки методов ее диагностики рекомендуются к внедрению в энергосистемах Афганистана и других стран, с их помощью можно определить техническое состояние электроприводов с АД. Диагностические кривые и методика их получения могут быть использованы заводами изготовителями АД и в энергосистема^.

Результаты исследований могут быть рекомендованы к внедрению в учебный процесс и в частности, в курсовые и дипломные проекты студентов специальностей 10.01, 10.02, 10.03.

Апробация работы. ' Основные положения диссертационной работы докладывались на 14-й нвучно-методической конференции "Компьютерные технологии обучения и управления вузом" (г. Донецк 1992 г.), на . научных ' конференциях профе&зорско-прэподавательского состава кафедры "Электрические ртанции" Донецкого политехнического института в 1991-93 гг.

Работа выполнялась по плану НИР Донецкого политехнического института.

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 5 научных работ.

.Структура и обьем работы. Диссертационная работа состоит из введения, семи глав,заключения и приложений. Содержание работы изложено на 143 страницах машинописного

текста, иллюстрированного 74 рисунками. - Рабега содержит 15 таблиц. Список использованной литературы сосотоит из

5

III наименований на 16 страницах и 7 приложений на <14 страницах.

(УДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность проблемы исследований, сформулированы цель и идея работы, излагаются решаемые задачи, а также основные результаты и положения, выносимые автором на защиту.

В первой главе приведен аналитический обзор методой анализа несимметричных режимов работы АД, которым госвящакы работы К.П.Ковача, И.Раца, Г.Н.Петрова, М.П.Костенкр, Ü.M.Постникова, И.А.Сыромятникова и др.

В большинстве известных работ анализ стационарных режимоЭ при разных скольжениях производится по схеме замещения, составленной для токов прямой и обратной последовательностей. Исследовать электромагнитные переходные процессы по _ данной методике громоздко и затруднительно.

В работах И.И.Трещева проводится анализ с использованием

дифференциальных уравнений в фазных координатах. Однако пра

этом рассматриваются только стационарные режимы для отдельногс

двигателя и не рассматриваются режимы пуска, короткого

замыкания отдельного двигателя, а также режимы работы узле

о

энергосистемы с асинхронной нагрузкой.

В работе К.П.Ковача описываются сложные явления, связанные с изменением рабочих режимов АД. Особое вниманйе уделяется физической стороне процессов, описываемые современными математическими методами. Автор рассматривав1] аналитический метода анализа несимметричных переходнш роьимов е едшой концепции для машин переменного такс,

6

однако на рассматриваются особенности переходного процесса при наличии поврежденных стержней в ротора.

Вопросы диагностики короткозвшснутой обмотки ротора рассматривались также в работах авторов -В.П.Тарана, М.А.Гашимова и др., однако в основном обращалось внимание на выявление третьих гармоник в фазном токе статора, применение различного типа анализаторов и др. Однако указанные методы не универсальны. Кроме того, что

практически отсутствуют работы по диагностике узлов енергосистемы с асинхронной нагрузкой.

В заключении данной главы сформулированы основные задачи, решению которых посвящена диссертащкшлая работа.

Во второй главе разработаны математические модели и составлены фортран-программы на основе • дифференциальных уравнений для мгновенных значений токов и напряжений, позволяющие исследовать переходные и стационарные процессы в следующих режимах работы:

а) при симметричных напряжениях источника питания и симметричном статора и роторе (модель в осях а,р, неподвижных относительно статора). Симметричные переходные режимы работы рассматривались на основе схемы замещения с ^эквивалентным двухклеточным ротором, позволяющей учесть явления вытеснения токов в глубокопазных стержнях короткозамкнутого ротора.

б) при несимметричных напряжениях источника питания, симметричном статоре и роторе (модель в неподвижных относительно статора осях а,р с представлением трехфазных обмоток ротора и статора в двух осях . В этой модели учитываются симметричные составляющие напряжений прямой и

Г'

обратной последовательности и не учитываются составляющие нулевой последовательности, так как в натрали обмотки статора ДЦ токи нулевой последовательности не могут протекать.

в) при симметричных напряжениях статора, симметричном статоре и несимметричном роторе из-за обрыва его стержней. Разработанная модель отличается тем, что составлена на оонове полных дифференциальных уравнений - в фазных координатах как для статора, так и для ротора с количеством фаз в обмотке ротора, равному числу короткозамкнутих стержней ротора.

г) для переходных и установившихся режимов работы группы АД, подключенной в узле нагрузки энергосистемы.

Для исследования несимметричных режимов работы АД? вызванных несимметрией напряжения питающей сети, а также повреждением стержней в роторе, разработана математическая модель узла энергосистемы о асинхронной нагрузкой.

В модели каждый из АД представлен дифференциальными уравнениями всех трех фаз обмоток статора, а также всех стержней короткозамкнутого ротора. Насыщения

VI

путей главного магнитного потока и штоков рассеяния не учитываются. Принято синусоидальное распределение магнитного потока в воздушном зазоре.

о

Если от трансформатора питаются несколько АД, то напряжение на сборных шинах находится с учетом падений напряжения в его сопротивлениях. Для этого составлены дополнительные дифференциальные уравнения связей (3), которые содеркат суммы токов и суммы производных токов статоров всех АД.

О учетом отмеченных допущений, математическая

8

модель узла энергосистемы с есшпрошой нагруг?;г.~ для анализа несимметричных, стационарных и переходах режимов работы может быть представлена как содержащая:

а) симметричные напряжения питающей системы: ■

. 1Ьа=итСОВ (<Л ) ;

05Ь=ЦтСОЗ ((|Л-1 20* ); (1)

05с=ип.соз(^-240°);

б) несимметричные напряжения в узле нагрузки:

№>=1Ьь-и°; (2)

ис=ияс-Цо;

где и<>=-у- (и«+оь+ис) - напряжение нулевой последовательности. Отметим, что амплитуды фазных напряжений в (2) могут иметь разные значения.

в) Напряжения на сборных шинах, питающих АД . через понижающий трансформатор (Д,.]^):

п г»

1=1! 1=1 -п п

иьо=иь-Ьг^-^?-Кг^1ьп; (3)

1=1 1=1

п п

1=1 1=1

г) Дифференциальные уравнения фаз статора и ротора для 1-го АД, имеющего п к.з.стержней на роторе.

-иок-Ьо^о! =-1» Рп; -=ЦЬП-1ЯЬН8Ь; ... (4)

Игл;

^-=ие»-1»=К»с; = );

Производные токов статоров АД, испольвувмыо в (3) нзхсдам ела думцам образом.

(Ляс

ар

аь'

скр

агГ *(<Р),

(57

где

1яь= ь"*(ф)вв1>; . 1яе= ь-1(<р)Шб=«=;

Ь «р)=

1 г

Ь5=

ъ» +ъ» иа 1г>сов(120°) 1тсов(-120*)

1Л1СОВ(-120" ) Ьвь + Ь» Ьтеов(120")

Ътсов(120° ) 1/исов (-120°) Ьл +1*« Ос

ЬпСовСх) 1»*сов(х+ф) ЬтСОВ(х+(п-1 )ф)

1/»еов(х-120°) 1»»оов (х-120°+ф) 1тедв(х-120°+ (п-1 )ф)

1тсгов(х+1200) Хетсов(+х+120,+ф) 1шсов(х+120°+ (п-1 )ср)

Ъчсов(-х) ЪтСОВ(-1+120°) 1псов(-х-120°)

3>>СОБ(-Х-Ф) 1#"еов (-х+120°-(р) ЬтСОЕ (-Х-1 ?.0°-<р)

I» »ов (-х- ("-1 »ф о ЬтСОВ (~х+120- (п - 1 ю) )<Г)

I 0

Ьшсов(ф) 1л.0СВ ((п-1 )ф)

ЬтСОв(-ф) Ъ0г+Ът 1»т,ссз((п-2)ф)

1я>С08(-(п-1 )ф 1г>С0В(-(п-2)ф) Ьег+Ьт

Ьг=

В уравнениях (I>—(5) обозначены:

UaD.UbD.Uco ' - фазные напряжения статора; ()}8а.ф5ь,(|)5с - фазные потокосцепления обмоток статора;

.....фгп- фазные потокосцепления обмоток ротора;

ири их числе равном п=1,2,3... 1во.1яь,1кс - токи обмоток статора; 1г1,1г2,...,1гп- токи обмоток ротора; ю»= (ф® 1з ),т3- электромагнитный момент и момент

сопротивления; R5o.Rsb.ibc - активные сопротивления фаз статора; Яг»,в-а,...,1?гп- активные сопротивления фаз'ротора;

ы X

Ф

ъ ,ь.

Зг г»

Ь(ф)г;Ь"* (Ф)

- частота вращения ротора;

- угол мевду осью стержня N1 ротора и осью фазы А статора;

- угол мевду двумя соседними стержнями ротора;

- матрица индуктивностей обмотки статора

- матрица индуктивностей обмоток ротора - матрица взаимных индуктивностей мевду обмотками статера и ротора (ротора и статора); . .

- обратная матрица индуктивностей трех фаз статора и п фаз ротора как функция от угла ф;

В третей глввэ для случая симметричны! напряжений источников питания выполнен анализ переходного процесса в АД, имещего симметричные обмотки статора и ротора. Использовалась математическая модель, уравнения которой записаны в осях а,р,о, в так...э в фазных координатах статора и ротора. Адекватность моделей подтверждается совпадением результатов полученных для режимов цуска, короткого замыкания и повторного включения. Показано, что при подключении ДЦ к оети возникает знакопеременный динамический момент, колебания которого происходят с частотой около 50 Гц, наибольшее амплитудное значение составляют для двигателей 0.4 кВ от 4-4 Мн до -2 Мн. Время действия указанного момента зависит от махового момента ротора и момента сопротивления на валу и составляет для двигателей 0.4 кВ от 0.1 до Ю. В модуле тока статора тэккеР наблюдаются колебания, но они имеют меньшую величину, чем момент.

При возникновении короткого замыкания штавдвй сети ДЦ

о

посылает ток подпитки к месту короткого замыкания близкий по величине к пусковому току. При этом в двигателе возникает бросок отрицательного момента порядка - 4 Мн, а

и

время подпитки места короткого замыкания составляет около

0.1с. При повторном подключении к питающей сети первый

бросок вращающего момента, возникающего в АД положителен,

о

если скорость вращения меньше 0.5 шн и отрицателен, если скорость вращения больше 0.5 шн. При атом колебания переходного момента затухают значительно быстрее чем при подключении двигателя из неподвижного состояния.

Полученные в главе данные использовались для сравнения с параметрами переходных процессов при несимметричных напряжениях и носимметрии обмоток ротора.

12

В четвертой главе выполнен анализ стационарных и переходных режимов работы АД при наличии несикметрии напряжения в питанцей сети. За основу приняты полные дифференциальные уравнения АД, записанные в осях а,ß,а для симметричных обмоток статора и ротора.

Исследованы влияние обрыва фазы в питащей сети па режиме работы загруженного АД. Если загрузка двигателя небольшая (та<0.5тн), то скольжение АД возрастает в 1.5 - 2 раза, возрастают потери мощности в роторе, увеличивается среднее значение тока статора,появляются пульсации в моменте вращения. Если двигатель работает с номинальной мощностью, то может произойти нарушение его устойчивой работы. Двигатель может полностью затормозиться.

При подключении неподвижного АД к двум фазам питающей сети, двигатель на может развернуться т.к. среднее значение вращающего момента равно нули, несмотря на относительно большой ток статора, составляющий порядка 3.5 o.e.

Исследован режим пуска АД при различных степенях несимметрии напряжения питающей сети (Кн=—). По сравнению с режимом симметричных напряжений пуск АД затрудняется из-за возникновения в тока статора и моменте дополнительных составляющих, изменяющихся с частотой юо Гц. Время пуска АД при втом возрастает, а если ковффициент несимметрии больше 10%, то может иметь место затяжной пуск или двигатель совсем не развернется.Выполнение анализа повреждения АД при различных степенях несимметричных напряжениях питающей сети показывает, что такие режимы приводят к пульсации тока в статора, мощности , увеличению токов в роторе, перегреву и ускоренному выходу двигателя из строя. Причиной этого является шзникновенио

13

токов обратной последовательности, т.к. аоки а фазах двигателя имеют различные значения, а потребляемая активная мощность и момент вращения пульсируют с частотой 100 Гц.

. Разработанная модель позволяет для различных значешж коэффициентов несимметрии питающей сети к

коэффициентов aai-рузки АД определить токи статора, ротора и момент вращения. По указанным величинам можно построить диаграммы допустимых режимов работы АД. Диаграммы основаны не использовании запаса по недогрузке АД для компенсации перегрузки за счет нэсимметрии питающего напряжения. Е качестве примера приведены результаты расчетов режимЕ работы двигателя типа МА-143-1/4 для различных значен^ коэффициентов несимметрии напряжения и загрузки.

В пятой главе выполнен анализ стационарных и переходит режимов работы АД при наличии различного количвстее поврежденных стержней короткозамкнутой обмотки ротора.

В результате исследований получаны следунцие данные:

а) анализ пуска АД на холостом ходу показал, чтс динамические ударные значения модуля тока статора и момвнте вращения, а также время пуска при наличии повреждения стержней в роторе (от 1-го до 8-го из 24-х) возрастают (ш 5-756) по сравнению с исправным АД . Пульсации момента и модул; тока статора возрастают, а установившиеся значение пуековогс тока снижается .

б) анализ пуска АД под нагрузкой показал, что с увеличением количества поврозщенных стержней в роторе возрастает время пуска, а ударное и среднее значение модул? тока статора снижаются. Из сравнения осциллограмм пуска длг исправного и неисправного двигателей можно по указанны;, ьыаю и.\>р£,метрвм выявить нэлл'шэ неисправности. Однако,

гадистатон этого метода заключается в необходимости снятия ?сцшигаграчмы.

в) анализ режима подачи напряжения на статор неподвижного fJi показал, что в модуле тока статора появляются тульсвций с частотой юо Гц; величины амплитуды пульсаций зависят от числа поврежденных стержней (от 1-го до 8-го из ii-x) которые составляют соответственно от а.4% до 33$ (рис.1). При этом также снижается среднее значение пускового гэка статора.

г) анализ установившегося3 режима работы загруженного АД (рис.2) показал, что наиболее информативными параметрами, характеризующими наличие поврежденных зтержней в роторе, является коэффициент пульсаций модуля гока статора потребляемой активной мощности -7 , а также скольжения -7 (рис.3). Значения коэффициентов пульсаций (71«7р>7$) пропорциональны числу поврежденных зтержней и при восьми повревденных стержнях они составляют соответственно 53.75S, 78.ЭЯ и 21.3% (рис.3). Способ контроля /казенных величин в установившемся режиме ДЦ достаточно прост и весьма эффективен для диагностики. Он определяется по результатам замеров как

Атиах—Amin ' А=р

где 7 -коэффициент пульсаций;

Ашах, Awin ,Аер—наибольшее, наименьшее и среднее значения режимных параметров АД.

В частности для двигателя типа MA-I43-I/4 ' коэффициенты пульсаций (рис.3) были получены по результатам замеров нагрузочного режима АД (рис.2), а также по результатам гюдй'те напряжения на статор при заторможенном ротора (рис.1;.

результат? исследования установлено, что вал.;

15

происходят повреждения стержней в роторе, то в оставшихс: исправных стержнях происходит увеличение тока (рис.4). При этом в режиме работы под нвгрузкой, кратность увеличения ток! значительно больше, чем в режиме подачи трехфазного напряжена на статор при 8=1. Так, например, при повреждении восьм) стержней из двадцати четырех в роторе в режиме нагрузи (Кз=о.8) ток возрастает в два раза, а в режиме К.З. только : 1.11 раза.

Характерным является то, что токи в крайних стержня: ротора больше, чем в средних, тогда как, при работе по, нагрузкой, наоборот, токи в средних стержнях ротора превышаю' токи в крайних.

На рис.4 показано распределение токов в стержнях ротора ] режима работы под нагрузкой (Кз=0.8). Кривая 1 для исправног АД, а кривая 2 - для имеющего в поврежденных стержней из 24.

В шестой главе сделан анализ поведения двигателе! многомашинной системы электроснабжения цри наличи повреждений роторных стержней. Для этой цели выполнен расче' режимов одновременного цуска двух АД типа МА-нз-1/4 (один I исправным, другой - с поврежденным ротором) от понижапцеп трансформатора. Определены коэффициенты пульсаци]

электромагнитного момента вращения и модуля тока статора которые тем больше, чем больше количество ' повреждении: стержней. Пульсации имеют место также в токе трансформатора подключенного к общим шинам. Установлено, что использовати для диагностики режимов пуска двигателей затруднительно поскольку требуется их осциллографированив.

Анализ стационарных режимов узла нагрузки энергосистемы ( двумя АД, соответственно с исправными и неисправным роторами показал, что наиболее информативными параметрами

»6

:арактвризущими наличие повревденых стержней в роторе ;еиспрввного двигателя, является модуль обобщенного вектора ■ока статора, электромагнитный момент вращения, потребляемая жтивная мощность, а также скольжание. При наличии гавражденных стержней в роторе появляются пульсации указанных ¡9личин, в том числа и в питающем трансформаторе. Значения гоеффищюнтов пульсаций (Т^ТрЛ^ пропорциональны числу гавревденных стержней и при восьми поврежденных стержнях для 5Еигателэй 0.4 кВ они составляют соответственно 54-2Я, 35.вх и 73-4/6. В .исправном двигателе эти. пульсации имеют зущественно меньшие значения. Способ контроля указана^ зеличин в установившимся режиме АД достаточно прост и зесьма эффективен для диагностики.

В седьмой главе разработаны диагностические кривые АД по чанным моделирования стационарных режимов. Эти кривно тредставляют собой зависимости пульсаций модуля тока статора, потребляемой активной мощности и скольжения в функции от количества поврежденных стержней. Как видно из рис.2, наиболее предпочтительным для диагностирования является потребляемая активная мощность АД, работающего под нагрузкой. Даже при одном поврежденном стержне в роторе коэффициент пульсации достигает порядка ЮН, и можно выявить современными влектроизмарительными приборами. О помощью диагностических кривых можно оценивать состояние АД и определять наличие и количество поврежденных стержней. Для этого • требуется произвести измерение параметров стационарного режима работы.Такой контроль может производится, например, один - два раза втвчание года.

По результатам исследования режима подачи напряжения на статор при заторможенном роторе были получены также кривые

17

коэффициентов пульсации модуля тока статора, потребляемс активной мощности (рис.1). Пульсации результируещего- Еекто] тока и' потребляемой активной мощности пропорционалы количеству поврежденных стержней ротора (рис.3). Лолученнь результаты позволяют рекомендовать их к использованию щ вксплувтации АД, однако большее значение ковффициентс пульсации и более простое проведения измерения имеет место режиме работы под нагрузкой. Поэтому режим подачи напряжени на статор, целесообразно использовать в основном до подтверждения подозрений на наличие повревденных стержней роторе по данным замеров в стационарном режиме.

При моделировании узлв энергосистемы с асинхронно нагрузкой установлено , что при наличии повреждений в ротор одного из АД, подключенных к общим питающим шинам, возникав пульсации модуля тока статора, потребляемой активной мощности скольжения и у остальных АД. Однако у двигателя, имеющег повреждение стержней, коэффициент пульсаций на порядок выше Поэтому, разработанные диагностические кривые могут быт использованы и для диагностирования узла асинхронной нагрузки

При этом предлагается постоянно контролироват коэффициент пульсации по току и потребляемой активно мощности в цепи питающего трансформатора и в случае увеличени их до . значения до о.в - 0.1 необходимо производить измерен» по каждому из АД.

Разработанные диагностические кривые АД и методика к получения могут быть рекомендованы в качестве типовых дл: различных серий АД. При поставке их заводам-изготовителя существенно повысится уровень и надежность вксплуатацш двигателей широко используемых в системах электроснабжения.

Параметры .ИД при .-заторможенном роторе и различном количестве поврежденных стержней в обмотке 'ротора

а.е

4-2

г.8 1.+

Ьл 5 А* шах

1в ср

Г--

---

Рз твх

> ер

щт

Кр

12 3+567

Рис.1 - —

Параметры АД при нагрузке 0,8 Нном с различным количеством поврежденных стержней в роторе

и

н.о о.б

ы

1.о 06

1з ... т а*

1

я/л и с?

- --- 1 лп

,Не »

--- тт

' Зависимости коэффициентов пульсаций от количества поврежденных стержней в обмотке ротора

- при работе под нагрузкой

----- при заторможенном роторе

Об

аб

<И

0.2

0

1 ---

2 V

/ ✓ г / и

/ / /

/ / / / г л к —

/ / / / у ✓ **

и У %

Ш >1 »» I

113 4 5 67

Рис.3

Распределение токов в стержнях ротора в режиме работы под нагрузкой

1 - дчя исправного ДД *'

2 - для АД, имеющего в роторе В из 24-х

повревденных стержней

В заключении отмечается, что в диссертации поставлена и юшэна научная задача изучения закономерности протекания ¡тационаршх и переходных процессов в АД при поврэжденных ;тержнях короткозамкнутой обмотки ротора для шявлания шиболее информативных параметров, 0 позволяпазх осуществлять щагностину электроприводов с АД, что повысит надежность их шботы. Сделаны следущие вывода:

1. Разработана математическая модель электроприводов с АД утя анализа переходных режимов работы при наличии не симметрии шпрякения в штвпцей сети и повреждения стержней в роторе

) также с разным характером момента сопротивления на валу (модель в фазных координатах для статора и ротора по полным З^фференциалышм уравнением для мгновенных значений).

На основе этой модели разработана также математическая гадель для анализа переходных и стационарных процессов узла синхронной нагрузки электрической системы.

2. Выполнен анализ стационарных и переходных процессов АД з симметричными обмотками статора и ротора при питании зимметричным по фазам напряжением питающей сети. Исслэдованы южимы пуска, короткого замыкания, повторного включения, сратковременного перерыва питания.

При возникновении короткого зшгыкания в патвззщей сети АД тасшюет ток подпитки к месту короткого замыкания, близкий по зелячцне к пусковому. При этом в двигателе возникает бросок этрицательного момента порядка 3,5+5 Мн. Время подпитки месте ироткого замыкания составляет около 0.1 с.

При повторном подключении АД к питающей сети первый Зросок вращзидего момента положителен, если скорость вращения меньше 0.5 и отрицателен, если скорость вращения больше

э.5 №. При втом скорость затухания колебаний переходного ломента значительно вше, чем при подключении двигателя.ч 2\

сети из неподвижного состояния.

В последнем случае возникает знакопеременны!

динамический момент, колебания которого происходят ( частотой около 50 Гц ,а наибольшее амплитудные значешн составляют от 3-5 Мн до 1.5 -2.5 Мн. Время действи! указанного момента зависит от махового момента ротора i момента сопротивления на валу и составляет от ои 'до 1 с. I модуле тока статора также наблюдается колебания, но они имею1: значительно меньшую величину, чем в моменте.

3. Выполнен анализ стационарных и переходных процессов i АД, при несимметричном напряжении в питающей сети, Дш неполнофазных режимах установлено, что если загрузка двигател? небольшая (ms<o.5 o.e.), то скольжение двигателя возрастает i 1.5-2 раза, возрастают потери мощности в роторе, появляюти пульсации в токе статора и увеличивается его среднее значение увеличивается среднее значение тока статора, пульсации токе статора и момента вращения происходят с частотой скольжения, Если двигатель работает с номинальной мощностью, тс может произойти нарушение его устойчивой работы, дви^зтел! может полностью затормозиться.

Цри появлении несимметрии в питающей сети из-зе возникновения токов обратной последовательности, токи в фаза; двигателя имеют различные значения, а потребляемая активна? мощность и момент вращения имеют пульсации с частотой 100 Гц.

Метод анализа позволяет для различных значетй коэффициентов несимметрии питающей сети и коэффициенте! загрузки АД определить токи статора, ротора и момент вращения. По указанным величинам можно построить диаграммы допустимые режимов работы АД в зависимостях от коэффициента загрузки I коэффициентов несимметрии питащего напряжения. Диаграмм! основаны на использовании недогрузки по мощности двигателя для

22

>мпенсации перегрузки за счет несимметрии питающего ¡пряжения.

4. Выполнен анализ стационарных и переходных режимов зботы АД при наличии поврежденных стержней в короткозамкнутом зторе в режимах пуска на холостом *viy, под нагрузкой, подачи зпряжения на статор неподвижного ДЦ, в установившихся режимах зОоты загруженного АД, найдено распределение тонов по гержням ротора АД в различных режимах.

Установлено , что если происходит повреждения стершей в эторе, то динамические ударные Значения модуля тока статора и амента вращения, а также время пуска несколько возрастают по' равнению с исправным АД. Пульсации момента и модуля тока татора возрастают, а установившиеся значение пускового тока нижается. Степень неравномерности распределения тока по справным стержням ротора в режима работы под нагрузкой начительно больше,, чем в режима подачи трехфазного напряжения в статор при заторможенном ротора. Прч восьми поврежденных тержнях они соответственно равны 2.0 и 1.11 o.e.

Характерным является то, что токи в крайних стержнях ¡олыпв, чем в средних, тогда как при работе под нагрузкой шоборот, токи в средних стержнях превышают токи в крайних.

5. Для узла асинхронной нагрузки при наличии АД с дефектными роторами выявлено появление пульсации в тока гитапцего трансформатора, в токах статоров, активной мощности i скольжении отдельных АД.

Значения коэффициентов пульсаций Tt.7p>7$ пропорциональны телу поврежденных стержней. В исправных двигателях узла ?агрузки эти пульсации имеют существенно меньшие значении. Зпособ контроля указанных величин в установившимся режиме ЛД достаточно прост и весьма эффективен для диагностшш.

25

достаточно прост и весьма- эффективен для диагностики.

»

6. Разработаны диагностические кривые электроприводов с по данным моделирования стационарных режимов. Эти кривив представляют собой зависимости пульсаций модуля тока статора потребляемой активной мощности вращающего момента и скольаэн как функций от количества поврежденных стершей. Наибол предпочтительным для диагностирования является потребляема активная мощность АД, работящего под нагрузкой. О ' помоц диагностических кривых можно оценить состояние АД ; определить наличие и количество'поврежденных стержней.

7. Диагностические кривые и методика их получения могу быть рекомендованы в качестве типовых для различных серий АД При поставке их заводами-изготовителями сущэствонно пошейте; уровень и надежность .эксплуатации двигателей пирок< исгользуешх в системах электроснабжения Афганистана и друпв стран.

Основные положения диссертации опубликованы в -работах

1. Сивокобыленко В.Ф., Насир д.ф. Анализ переходам рекимов работы асинхронного двигателя при швравдэнмп короткозамкнутой обмотки ротора. Донецкий политвхничаски£ институт, 1992 г., - 19 е., деп. в У!фНИНГИ.

2. Сивокобыленко В.Ф.,. На сир А.С. Анализ переходного процесса при включении асинхронного двигателя с поврежденными стержнями в роторе. Донецкий политехнический институт, 1992 г., - 16 е., деп. в УкрНШТИ.

3. Сивокобыленко В.Ф., Насир А.Ф. Диагностика короткозамкнутой обмотки ротора асинхронного двигателя по

4. СивокоОыленко В.Ф., Гармаш В.О., Насир А.Ф. Диагностика стержней ротора короткозамкнутого асинхронного двигателя; Энергетика и влектрофикация'(в печати)

5. Сивокобнлэнко В.Ф., Гармвш B.C., Насир А.Ф. Анализ несимметричных режимов работы о асинхронной нагрузки электрических систем. Доклад на 14 научно-методической конференции "Компьютерные технологии обучения и управления вузом". Донецк 1992 г., с. 12

Подп. в печать «0Ш.Формат"бОХ84'/,а. Бумага оЗерпОЪАНа,. Офсетная печати Усл. печ. л. <33 . Усл. кр.-отт. . Уч.-изд. л. 10 , Тираж иО экз.

Заказ

__Донецкий политехнический институт, 340000, Донецк, ул. Артема, 58.

ДМПП, 340050, Донецк, ул. Артема, 96