ЗАХИСТ НИЗЬКОВОЛЬТНОГО АСИНХРОННОГО ДВИГУНА НА ОСНОВІ МОДЕЛЮВАННЯ ПОТОЧНОГО ТЕПЛОВОГО СТАНУ З КОРЕКЦІЄЮ ВІД ТЕРМОДЕТЕКТОРА

Краткое содержание

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА

Актуальність теми. Режими роботи більшості асинхронних електродвигунів (АД) характеризуються важкими умовами пуску, обумовленими високим моментом опору або (і) високим моментом інерції механізму; частими пусками; випадковою стохастичною зміною в часі моменту навантаження при нестабільній її середній величині, що є причиною швидкого перегріву обмоток машини, отже, передчасного старіння ізоляції.

Окрім цього, на тепловий стан двигуна впливають зміни, що відбуваються в конструктивних елементах двигуна при його експлуатації, наприклад: засмічення вентиляційних каналів, зношення і руйнування підшипників, клітки ротора тощо.

Перераховані умови, при експлуатації потужних АД з короткозамкненим ротором в режимі S4, можуть призвести до виплавляння алюмінієвої клітки ротора і виходу машини з ладу. Причиною цьому є не тільки важкий режим роботи, але й вплив ефекту витиснення струму, що викликаний наявністю глибокого паза.

Той факт, що реальні умови експлуатації, в більшості випадків, відрізняються від тих, що визначені виробником, свідчить про необхідність здійснення контролю над поточним тепловим станом електродвигунів, що дозволить підвищити рівень надійності роботи устаткування; скоротити тривалість вимушених простоїв і збільшити міжремонтний інтервал.

Економічна доцільність надійної роботи технологічного устаткування очевидна. У багатьох випадках аварійна зупинка устаткування протягом робочої зміни (5?10 годин) завдає збитків виробництву, що перевищують вартість електричної машини, яка вийшла з ладу.

Зв'язок роботи з програмами, планами, темами. Науково-дослідна робота з теми дисертації виконувалася в Державному вищому навчальному закладі «Донецький національний технічний університет» в процесі виконання планів НДР «Дослідження і вдосконалення електричних машин традиційного і нетрадиційного виконання і систем їх живлення» (Н7-07).

Мета і завдання дослідження: удосконалення температурного захисту низьковольтних асинхронних електродвигунів за рахунок реалізації функції контролю поточного температурного стану і сигналізації про процеси, що призводять до перевищення допустимого нагріву, як статорної, так і роторної обмоток.

Для досягнення мети поставлені такі завдання:

1. Розробити математичну модель температурного захисту електродвигуна, що дозволяє визначати температуру обмоток статора і ротора, з точністю, що відповідає вимогам МЕК 34-11 (ГОСТ 27888-88) для швидко і повільно наростаючих теплових перевантажень, незалежно від зміни зовнішніх умов.

2

2. Розробити модель нагріву роторної обмотки з урахуванням ефекту витиснення струму на основі розв’язання польової задачі проникнення плоскої електромагнітної хвилі в прямокутний стрижень обмотки ротора.

3. Створити пристрій температурного захисту, який дозволяє надавати сигнал про зміни зовнішніх умов, що можуть призвести до руйнування електродвигуна.

Об'єкт дослідження – теплові процеси в сталих і перехідних режимах роботи АД при повільно і швидко наростаючих теплових перевантаженнях.

Предмет дослідження – температурний контроль і захист асинхронних електродвигунів.

Методи дослідження: метод еквівалентних теплових схем, метод кінцевих різниць, метод еквівалентних гріючих втрат – для математичного представлення теплових процесів в АД; методи теорії електромагнітного поля – для вивчення впливу скін-ефекту на нагрівання стрижня короткозамкненого ротора; методи аналітичного розв’язання систем лінійних диференціальних рівнянь і методи алгебри матриць – для математичного моделювання процесів. Достовірність визначення температур в двигуні за допомогою пропонованої моделі підтверджується відповідністю їх до результатів теплового розрахунку за апробованою методикою УкрНДІВЕ, що вже протягом багатьох років використовується при проектуванні вибухозахищених електродвигунів.

Наукова новизна отриманих результатів:

1. Обґрунтовано і здійснено розвиток існуючої математичної моделі, що включає два елементи: пакет заліза й обмотку статора для визначення температури обмотки статора АД при повільно і швидко наростаючих теплових перевантаженнях, введенням додатково двох елементів: обмотки ротора і термодетектора в лобовій частині обмотки статора.

2. Вперше встановлено, що витиснення струму в пазу роторної обмотки призводить не тільки до збільшення середнього і локального нагріву стрижнів ротора, але й до переміщення в часі максимальної температури стрижня з верхньої частини паза до його дна.

3. Вперше, на основі аналітичного розв’язання польової задачі проникнення плоскої електромагнітної хвилі в прямокутний стрижень обмотки ротора, отримано рішення для розподілу температури стрижня обмотки з урахуванням ефекту витиснення струму.

4. Вперше розроблено температурний захист, який ґрунтується на порівнянні температур: тих, що вимірюються термодетектором, і тих, що розраховуються  за запропонованою математичною моделлю, завдяки чому є можливість надавати сигнал про розвиток аварійних режимів.

3

Практичне значення отриманих результатів:

1. Розроблено реле температурного захисту низьковольтних асинхронних електродвигунів при повільно і швидко наростаючих теплових перевантаженнях, що дозволяє здійснювати захист не тільки обмотки статора, але і обмотки ротора з урахуванням витиснення струму в пазу за будь-яких нестандартних зовнішніх умов роботи двигуна, що призводять до зміни його нагріву.

2. Розроблений алгоритм дозволяє створити програму для керування і контролю над станом асинхронного електродвигуна із запропонованою системою температурного захисту.

3. Виготовлений дослідний зразок температурного реле на базі мікроконтролера ATmega і проведено його програмування для температурного захисту електродвигуна 2ЄДКОФ 250М4.

4. Результати досліджень прийняті до використання Українським науково-дослідним, проектно-конструкторським і технологічним  інститутом вибухозахищеного і рудникового електрообладнання з дослідно-експериментальним виробництвом УкрНДІВЕ (м. Донецьк) для розробки комбінованої системи теплового захисту асинхронних низьковольтних електродвигунів типу 2ЄДКОФ для скребкового конвеєра.

    Особистий внесок здобувача:

−              Встановлені закономірності впливу ефекту витиснення струму в стрижні короткозамкненого ротора на його нагрів і на розподіл температури по його висоті;

−              Розроблені метод розрахунку температури ротора і математичні моделі для температурного контролю і захисту АД;

−              Доведена можливість програмування температурного реле за спрощеним алгоритмом і створена програма для комбінованого теплового захисту на основі мікроконтролера ATmega.

Апробація результатів дисертації. Основні положення, наукові і практичні результати дисертаційної роботи доповідалися на: IV Міжнародній науково-технічній конференції «Керування режимами роботи об’єктів електричних систем – 2008», м. Донецьк, 2008; X Ювілейній міжнародній науково-технічній конференції «Електромеханічні системи, методи моделювання та оптимізації», м. Кременчук, 2008; IV Науково-практичній конференції «Донбас-2020» «Наука і техніка виробництву», м. Донецьк, 2008; V Міжнародній науково-технічній конференції «Інформаційна техніка та електромеханіка (ITEM-2009)», м. Луганськ, 2009; IX Міжнародній науково-технічній конференції «Автоматизація технологічних об'єктів і процесів. Пошук молодих», ДонНТУ, м. Донецьк, 2009; IX Науково-технічній конференції аспірантів і студентів, присвяченій 75-річниці кафедри «Гірнича електротехніка і автоматика ім. Р. М. Лейбова» ДонНТУ, м. Донецьк, 2009 р.; засіданнях кафедри «Електромеханіка і ТОЕ» ДВНЗ «Донецький національний технічний університет».

4

Публікації. За темою дисертації опубліковано 9 наукових статей у виданнях, рекомендованих ВАК України, з них:  8 – в збірках наукових праць, 1 – в науковому журналі. Три наукові роботи написано без співавторів.

Структура й обсяг. Повний обсяг дисертаційної роботи складає 165 сторінок, у складі яких 109 сторінок друкованого тексту основної частини, що складається із вступу, чотирьох розділів і висновків, 12 додатків на 37 сторінках, список літератури з 157 найменувань, 32 рисунки, 15 таблиць.