Управление электромагнитным состоянием асинхронной машины как способ ограничения параметров обратного энергетического потока

Общая постановка проблемы

Современные технические средства защиты шахтных участковых электротехнических комплексов от аварийных и опасных состояний (короткие замыкания, утечки тока на землю) реализуют принцип защитного отключения электросети, в соответствии с которым энергетический поток питающего трансформатора отделяется от системы электроснабжения технологического участка. Однако в этом случае не предотвращается воздействие на сеть обратных энергетических потоков асинхронных двигателей потребителей, переходящих в состояние выбега [1]. Существующая тенденция в отношении применения электрических машин более высокой мощности в составе электротехнического оборудования шахты предопределяет увеличение продолжительности воздействия на сеть обратных энергетических потоков электродвигателей, что снижает уровень безопасности электрических сетей шахтных установок [2–4]. Этим обусловлена актуальность поиска технических решений в области ускоренного защитного отключения электроустановок.

Анализ исследований и публикаций

Выполненными ранее исследованиями, относящимися к обоснованию принципов и технических средств подавления воздействия на сеть обратных энергетических потоков асинхронных двигателей, доказана принципиальная возможность выявления аварийного состояния электросети автономными средствами со стороны вводов статоров электрических машин [5–7]. При этом в качестве исполнительных устройств рассматриваются контактные силовые коммутационные аппараты как на вводе статоров, так и в цепи их соединения в трехфазную схему. Кроме этого, рассматривается возможность применения полупроводникового короткозамыкателя ввода статора [8]. Тем не менее проблемным остается вопрос объединения функции коммутации силовой цепи двигателя и функции подавления (отключения) его обратного энергетического потока в одном устройстве. Здесь техническое противоречие усматривается в том, что размещение силового коммутатора непосредственно на двигателе не только существенно увеличит его габарит, но и приведет к снижению ре- сурса устройства в целом в связи с воздействием рабочего диапазона вибраций электрической машины. Расположение же коммутатора в отдельном корпусе не гарантирует безусловное его применение в процессе эксплуатации электрических машин и допускает наличие обратного энергетического потока на интервале выбега двигателя в присоединении между статором и силовым коммутатором. Кроме этого, в случае применения полупроводникового короткозамыкателя не исключается создание цепи искусственного короткого замыкания при отказе (пробое) его тиристоров [9–11].

Постановка задачи исследования

Поскольку условием безопасной эксплуатации мощного шахтного участкового электротехнического комплекса является решение задачи ускоренного подавления обратного энергетического потока асинхронного двигателя потребителя, данную электрическую машину следует рассматривать как электрогенерирующую установку (работающую в режиме выбега). В связи с этим научную и практическую актуальность приобретает исследование технических возможностей управления электромагнитными процессами в данной установке в контексте создания условий для ускоренного подавления параметров ее обратного энергетического потока.

Изложение материалаи результаты исследований

В режиме свободного выбега ЭДС вращения асинхронного двигателя индуктируется в статоре вращающимся полем токов ротора. Если пренебречь процессом экспоненциального затухания амплитуды и частоты ЭДС вращения (в процессе выбега ротора), то асинхронный двигатель может быть представлен схемой трансформатора, первичная обмотка которого имитирует ротор и присоединена к источнику ЭДС (ротора), а вторичная – статор – присоединена к активно-индуктивной цепи, имитирующей силовое кабельное присоединение статора [12]. Обратный энергетический поток АД, возникающий во вторичной обмотке, характеризуется такими параметрами, как величины напряжения и тока, а также их частоты. К опасным состояниям сети, на которые может распространяться воздействие этого обратного энергетического потока, могут быть отнесены: междуфазное короткое замыкание в кабельной сети присоединения статора; цепь высокой проводимости между фазой кабельной сети присоединения статора и контуром «земля» [1, 13, 14].

В любом из указанных случаев параметры энергетического потока должны быть снижены до уровня, не представляющего: опасность воспламенения контура к.з.; опасность электропоражения (при возникновении цепи утечки тока на землю).

С целью исследования технических возмож- ностей процесса управления электромагнитными параметрами асинхронного двигателя в контексте создания условий ограничения параметров обратного потока предположим, что в магнитопроводе статора может быть установлена дополнительная трехфазная обмотка. Тогда к возможным способам ограничения напряжения и тока в цепи основной обмотки статора АД можно отнести процесс создания режима к.з. в этой дополнительной статорной обмотке. Реакцией двигателя на это станет повышение тока в обмотке ротора, что, в свою очередь, вызовет потерю напряжения в активноиндуктивной роторной цепи и, как следствие, снижение напряжения в основной обмотке статора.

Рассмотрению подлежат параметры в цепи, имитирующей силовое кабельное присоединение статора, включая цепь междуфазного к.з., цепь утечки тока на землю. Предполагается варьирование активно-индуктивными параметрами силового кабельного присоединения, а также параметрами емкости изоляции сети (в зависимости от возможной длины кабеля). Выявленные параметры в силовом кабельном присоединении должны быть соотнесены с аналогичными при отсутствии управляющего воздействия со стороны дополнительной обмотки статора.

Расчетная схема объекта исследования представлена на рис. 1. Она состоит из трехфазного трехобмоточного трансформатора с соответствующими присоединениями, имитирующими источник ЭДС ротора E , активные и индуктивные сопротивления жил кабеля ( L 1 , L 2 , R 3 , R 4 ), а также активные и емкостные сопротивления изоляции ( R 7 , C 1 ). Цепь утечки представлена резистором R 6 . Схема позволяет определять электрические параметры в цепях каждой из обмоток с учетом коэффициента трансформации. Параметры обмоток W ₁ и W ₂ должны соответствовать параметрам обмоток статора и ротора реального асинхронного двигателя, а параметры обмотки W ₃ могут варьироваться.

Указанной структуре соответствует компьютерная модель (рис. 2).

Точками контроля тока являются:

• А1 – на вводе генерирующей (роторной) обмотки W 2 ;

• А2 – участок короткого замыкания;

• А3 – дополнительная обмотка закорачивания;

• А4 – величина тока утечки на землю;

• А5 – количество электричества.

Контролируемые параметры в указанных точках описываются следующими зависимостями:

• – в точке А1 – ток, обусловленный действием напряжения источника питания;

• – в точке А2 –

L = L + L = max sin ( to 1 + a-m_K ) + кпа          к

I Z к J

• ( - 1 / T„)

• ⁺ i a ( 1 = 0) e     “ ,

  

  Рис. 1. Схема модели имитации процесса подавления энергетического потока электрической машины

  
  
  

  Рис. 2. Структура компьютерной модели трехфазной трансформаторной системы

  
  

где i _к , i _п , i _а – ток коротког о з а м ыка н ия до точк и к. з. , е го пе риоди чес ка я и апе риод иче с ка я с ос тавляющие соответственно; Z _к – пол ное соп ротивление цепи к.з.; ф _к - у гол с д в и га тока от нос ительно напряжения; T _a= x _к/ ( ю г _к ) - пос тоян ная в ре м е ни цепи к.з.; α – ф а з а вкл ючени я короткого з а м ык ания; x _к , r _к – и н д у кти в н ое и ак ти в ное сопротивление цепи к.з. соответственно;

Рис. 3. Схема замещения приведенного трансформатора в режиме к.з.

– в точке А3 (рис. 3) [15] –

• i к = i уст + i св = ¹⁰⁰ V2 • I ном / м к [ sin (^a 0 - Ф к )^-

• - sin ( a o -Ф к ) e ' R ^к/ L ) t ] ,

где i к , i уст , i св – ток короткого замыкания трансформатора, установившаяся и свободная составляющие тока соответственно; φ_к = arctg( X _к / R _к).

Цепь утечки тока на землю имитируется сопротивлением резистора (1 кОм) R _ut, а цепь меж-дуфазного короткого замыкания в присоединении кабеля статора имитируется ключами Three Phase Fault. При этом вводится допущение о фиксированном времени (продолжительности) действия обратного энергетического потока электрической машины (в присоединении кабеля статора 5 с), а также о неизменности величины и частоты ЭДС, генерируемой трехфазным источником (что допустимо на начальном этапе исследования модели

Рис. 4. Диаграммы изменения токов и напряжений в трансформаторных обмотках: I _a2 , U _a2 – ток (А) и напряжение (В) в фазе А рабочей обмотки трансформатора ( W ₁ ); I _a3 – ток фазы А дополнительной обмотки закорачивания ( W ₃ ), А; I _a , I _b , I _c – токи фаз А, В, С генерирующей (роторной) обмотки W ₂ , А; I _ut – ток утечки на землю, мА; q – количество электричества, мА·с;

t ₁ – момент создания к.з. в дополнительной обмотке W ₃

Рис. 5. Диаграммы тока междуфазного короткого замыкания: a) до управляющего воздействия со стороны дополнительной обмотки статора; б) после управляющего воздействия со стороны дополнительной обмотки статора в момент времени t ₂ ; t ₁ – возникновение междуфазного к.з.

и соответствует экстремальным параметрам опасного состояния объекта).

В ходе исследований должны приниматься следующие допущения и состояния:

– параметры обмоток W ₁ и W ₂ должны соответствовать параметрам обмоток статора и ротора АД (принимаем АД типа ЭКВК 4-220 мощностью 220 кВт);

– величина фазной ЭДС источника равна 380 В, что соответствует ЭДС ротора указанного АД, вращающегося с номинальной угловой скоростью в режиме выбега;

• –    принимаются сечения кабеля марки КГЭШ в присоединении статора ( W ₁) 25; 35; 50; 70; 95 мм²;

• –    длина указанного кабеля варьируется от 10 м до 300 м;

• –    место возникновения трехфазного к.з. в указанном кабеле варьируется в пределах 10–250 м от места подключения обмотки W ₁;

• –    место возникновения утечки тока на землю в указанном кабеле варьируется в пределах 10–250 м от места подключения обмотки W 1 .

Параметры системы измеряются для состояний:

• –    создано к.з. в присоединении обмотки W 1 ; в присоединении обмотки W ₃ цепь к.з. не создана;

• –    создано к.з. в присоединении обмотки W ₁; в присоединении обмотки W ₃ цепь трехфазного к.з. создана спустя Δ t (диапазон Δ t составляет 2–20 с);

• –    аналогичные условия для исследования параметров при возникновении цепи утечки тока на землю.

Общий вид полученных диаграмм представлен на рис. 4 и рис. 5, а обобщенные результаты представлены на рис. 6.

С учетом варьирования параметров силовых присоединений результаты исследований обобще- ны, что позволило выявить общую тенденцию в отношении снижения величин составляющих обратного энергетического потока асинхронного двигателя в результате воздействия на его электромагнитные параметры. Установлено, что создание к.з. в дополнительной обмотке W3 способствует ограничению тока короткого замыкания (рис. 5б – момент времени t2), снижению тока в цепи утечки, а также ограничению количества электричества q (рис. 4 – момент времени t1). Обобщенные результаты иллюстрируются графиками (см. рис. 6).

Установлено, что данный способ ограничивает величины тока на безопасном уровне по критерию воспламенения кабеля на время, достаточное для полного завершения генерирования обратного энергетического потока асинхронным двигателем, находящимся в режиме выбега (рис. 7). Критерием допустимого тока является зависимость [16]

Iдоп = cs/Vt, где с – коэффициент теплорассеивающей способности кабеля, с = 101; s – сечение рабочей жилы кабеля, мм2; t – время отключения, с.

Указанные параметры могут быть отнесены к предельно возможным, поскольку реально ЭДС вращения двигателя, находящегося в режиме выбега, не остается неизменной по амплитуде и частоте, а снижается экспоненциально с постоянной времени двигателя.

Анализ графика (см. рис. 7) показывает, что в случае применения защитного закорачивания дополнительной обмотки статора в момент возникновения цепи утечки тока на землю может быть создан эффект снижения количества электричества до уровня, соответствующего критерию электробезопасности ( q = 50 мА·с) в течение времени,

а)                                                                    б)

Рис. 6. Зависимость действующего значения тока короткого замыкания от сечения и длины кабеля: а) до защитного закорачивания обмотки W 3 ; б) после защитного закорачивания; 1 – сечение 70 мм², 2 – сечение 50 мм², 3 – сечение 35 мм², 4 – сечение 25 мм²

Рис. 7. Результат определения допустимого времени существования обратного энергетического потока в цепи силового присоединения статора АД типа ЭКВК 4-220 в зависимости от площади сечения жил гибкого кабеля при условии закорачивания дополнительной обмотки статора с учетом выполнения критерия электробезопасности ( q = 50 мА·с)

достаточного для завершения формирования обратного энергетического потока в двигателе, находящемся в режиме выбега. Моделирование проводилось при условии неизменности величины обратной ЭДС. С учетом реально существующего экспоненциального закона ее снижения рассматриваемые параметры электробезопасности могут быть улучшены.

Заключение

На основании исследования процессов в модели электрической машины установлена потенциальная возможность ограничения параметров энергетического потока асинхронного двигателя на безопасном уровне посредством короткого замыкания в специальной дополнительной обмотке его статора. Определены допустимые величины токов и напряжений в цепи обратного энергетического потока и продолжительность безопасного состояния в цепи присоединения асинхронного двигателя при условии применения короткозамы-каемой обмотки статора.

Направлением дальнейшего исследования является уточнение свойств токоограничения в цепи обратного энергетического потока асинхронного двигателя с учетом реальных параметров снижения величины и частоты ЭДС статора в режиме выбега.