CC BY
74
УДК 62-83:629.5
ИССЛЕДОВАНИЕ НЕСИММЕТРИЧНЫХ РЕЖИМОВ РАБОТЫ СУДОВЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
А.Ф. Бурков, Дальрыбвтуз, Владивосток
При работе судовых электрических приводов наряду с нормальными режимами возможно возникновение несимметричных (специальных) переходных и установившихся режимов. В ряде случаев такие режимы могут вызывать аварийные ситуации. В статье рассматриваются основные несимметричные (специальные) режимы.
В настоящее время большинство судовых электроприводов (ЭП) содержат трехфазные асинхронные двигатели (АД) с короткозамкнутым или фазным ротором, в процессе эксплуатации которых возможно возникновение специальных режимов работы, отличных от нормальных.
У трехфазных АД, управляемых контактными коммутационными аппаратами (ККА), при эксплуатации, кроме технологических отклонений, возможно возникновение статических несимметричных режимов работы в основном по причинам неисправностей обмоток статора и ротора, а также несимметричных переходных режимов, главным образом из-за разрегулировки ККА. Вопросам исследования таких режимов посвящено ряд работ с различной степенью детализации [1,2,3].
Основным несимметричным переходным режимом работы, оказывающим определенное влияние на изменение величин токов и моментов, является неодновременное подключение фазных обмоток АД к сети.
При одновременном включении обмоток статора двигателя токи статора и ротора после момента включения определяются как [2]:
гг . . г , г , ч
/з = и- е + и-\ ■ е“1 + 1в2 ■ е“2 ; 1
г г . . г , г , У (1)
/> = /г ■ е1^ + 1Г1 • 6 -1г2 ■ е“2?. ]
Г г
В формуле (1) 1в, Iг - векторы амплитуд установившихся
значений токов статора и ротора, соответственно; ^ 1 • е“1?, /п-е^ -векторы свободных составляющих токов статора и ротора, создающие основной поток; 1в2-еа21, 1Г2-еа2*- векторы составляющих токов, создающих потоки рассеяния (о^, а2 - коэффициенты затухания).
Коэффициенты затухания и а2 равны:
' к І
(2)
Здесь Я3 и Яг - активные сопротивления обмоток статора и ротора, соответственно; /_т - взаимная индуктивность; іа3 и 1_оГ-индуктивности рассеяния обмоток статора и ротора, соответственно.
Выражение для электромагнитного момента М двигателя имеет вид [2]:
Составляющая установившегося значения вращающего момента Муст в (3) равна:
Составляющая Муст представляет собой момент, развиваемый
АД с заторможенным ротором после окончания переходных процессов. Определяется по статической механической характеристике двигателя.
Апериодическая составляющая момента Мап может быть
определена по формуле:
Составляющая Мап у многих АД затухает за 1...2 периода напряжения сети.
Сумма Муст и Мап представляет полезный вращающий момент
двигателя Мэд, нарастающий по экспоненциальному закону:
? г . . г , г ,
Із-е]т1 +1з-\-еа1( +Із2-еа^ х
Г . , г .г .
х //- • + /г1 • Є™1 — /г2 • Є™2 .
(3)
(4)
Мдп - з • /-т • /э2 • е
“1+“2 4 х)гЬ
(5)
^дв ~ МуСт + Мап = М в> -ко - 1-е“1+“2 Г
(6)
М со для формулы (6) определяется по формуле Клосса [4]. кд в формуле (6) - коэффициент динамичности.
Знакопеременная составляющая Мзп, являющаяся основной
причиной вибраций АД при пуске, после некоторых преобразований определяется по формуле:
Здесь Мп - пусковой момент двигателя; ср^ - угол сдвига фаз между током и напряжением в режиме короткого замыкания [4].
В случае неодновременного включения фаз АД апериодическая и знакопеременная составляющие отличаются от соответствующих значений одновременного включения.
Равенство нулю апериодических составляющих токов обеспечивается подключением обмоток двигателя в области максимума соответствующего напряжения. В этом случае отсутствуют качающиеся поля, которые являются причиной возникновения знакопеременных моментов, и вид механической характеристики соответствует статической [5].
При сдвиге момента подключения одной из фаз на п/А составляющая Мзп увеличивается по сравнению с одновременным включением (7) и определяется как:
Более подробно несимметричные переходные режимы
рассмотрены в [2].
Работа трехфазного АД при обрыве обмотки статора достаточно полно освещена в литературе [6,7].
С точки зрения энергетических показателей, в области малых нагрузок использование трехфазного АД в двухфазном режиме при определенных условиях более экономично. Это подтверждено проведенными экспериментальными исследованиями [8].
По другим видам ненормальных режимов (одновременная
несимметрия статора и ротора, короткое замыкание обмоток статора, повреждение обмотки ротора и пр.) опубликованы работы [6,9 и др].
В настоящее время динамично развивающимся направлением
развития судовых ЭП является использование в их составе
полупроводниковых приборов (ПП). При использовании управляемых ПП в силовых цепях ЭП, кроме вышеуказанных режимов, возможно
(7)
(8)
возникновение несимметричных режимов питания статорных обмоток АД, обусловленное специфическими эксплуатационными особенностями ПП.
Во время работы ПП в ключевых режимах, в отличие от режимов, используемых для регулирования параметров, вероятность выхода из строя пП повышается, так как при прямом включении АД в сеть величина пускового тока достигает 10-кратного значения от номинального, а при отключении двигателей возможно превышение амплитудного значения напряжения ПП над амплитудой фазного напряжения сети в 1,8 раза [10].
В этом случае, на основе анализа несимметричных режимов по причинам неисправностей ПП, необходимо оценить их опасность для АД и оставшихся в работе ПП.
Для силовых модулей устройств с встречно-параллельным соединением тиристоров выделяются три основных вида несимметрии [7]:
- внутрифазовая (наличие одинакового по абсолютному значению для всех фаз угла рассогласования Уа из-за разных углов открытия встречно-параллельно соединенных вентилей);
- междуфазовая (Уа = 0, но углы открытия тиристоров разных фаз различны);
- общая (наличие Уа и разностей углов открытия вентилей разных фаз).
Результаты аналитических исследований трехфазной системы «тиристорный коммутатор-активно-индуктивная нагрузка» («ТК-Р1_»), приведенные в [11], показывают, что при внутрифазовой несимметрии в выходном напряжении отсутствуют постоянная составляющая и гармоники, кратные трем. В случаях, когда имеет место междуфазовая несимметрия, отсутствуют постоянная составляющая напряжения и четные гармоники. При общей несимметрии выходное напряжение содержит как постоянную составляющую, так и полный спектр высших гармоник.
Если допустить, что при заданном скольжении параметры двигателя не зависят от тока и напряжения, то в этом случае АД при питании несинусоидальным напряжением на основе «принципа суперпозиции» в первом приближении эквивалентен системе из нескольких АД, расположенных на одном валу [12]. Каждому условному двигателю отдельной гармоники V соответствует своя схема замещения [7], причем от V зависят как индуктивные, так и активные сопротивления роторных цепей. Исходя из схемы замещения, электромагнитный момент у-й гармоники выражается уравнением [7]:
м,
V
(9)
где изу - фазное напряжение V -й гармоники; дх, - расчетный коэффициент для у-й гармоники; - скольжение для V -й гармоники
приведенное активное сопротивление обмотки ротора в номинальном режиме; ю0 - угловая скорость электромагнитного поля статора; у -
номер гармоники; - активное сопротивление обмотки статора; Хкн
- индуктивное сопротивление короткого замыкания в номинальном режиме; єу - относительное значение индуктивного сопротивления V -й гармоники.
Анализ механических характеристик системы «тиристорный коммутатор-асинхронный двигатель» («ТК-АД») в
квазиустановившемся режиме, полученных аналитически при
известных допущениях, позволяет сделать вывод, что при внутрифазовой несимметрии электромагнитный момент асинхронного двигателя будет определяться как:
т.е. искажение кривой результирующего момента минимально.
В формуле (10) ^Мупр - результирующий момент гармоник
полей прямого вращения.
При междуфазовой несимметрии:
где ^Л//у1пр, ^Л//у1об - результирующие моменты нечетных гармоник
полей прямой и обратной последовательностей, соответственно.
Если несимметрия имеет общий характер, то:
прямого и обратного полей; а - коэффициент рассеяния; кгн
м = Х мупр.
(10)
(11)
м = 2>у|7р + Хмуоб + м,
пост-
(12)
Здесь - результирующий момент гармоник полей
обратного вращения; Мпост - постоянная составляющая момента.
Искажение механической характеристики в данном случае существенно.
В формулах (10)...(12) составляющие Mvnp и Mvo6 определяются по (9), а Мпост - по значениям постоянной составляющей тока.
В общем случае в зависимости от вида несимметрии и степени ее проявления специальные режимы АД можно условно разделить на четыре группы.
Специальные режимы первой группы возникают при технологической несимметрии или небольшой разрегулировке в процессе работы.
Ко второй группе относятся несимметричные режимы, которые не приводят к полной потере управляемости.
В третью группу входят режимы, возникающие по причинам пробоя ПП.
Специальные режимы четвертой группы связаны с полным закрытием одного или нескольких ПП.
Наибольшую опасность представляют несимметричные режимы четвертой группы в связи с высокой вероятностью возникновения постоянной составляющей момента Мпост (12), наличие которой одновременно с двигательным режимом создает режим динамического торможения. Мпост обычно вносит наибольшее искажение в
механическую характеристику АД, так как ее значение прямо пропорционально постоянной составляющей тока, которая ограничена только активным сопротивлением обмоток. Оставшиеся исправными ПП будут функционировать в более загруженных по току режимах при условии примерных равенств момента сопротивления Мс на валу АД до и после возникновения несимметричного режима.
Библиографический список
1. Адкинс Б. Общая теория электрических машин / Пер. с англ. М.; Л.: Госэнергоиздат, 1960. 272 с.
2. Ковач К.П., Рац И. Переходные процессы в машинах переменного тока / Пер. с нем; под ред. А.И. Вольдека. М.; Л.: Госэнергоиздат, 1963. 744 с.
3. Петров И.И., Мейстель А.М. Специальные режимы работы асинхронного электропривода. М.: Энергия, 1968. 264 с.
4. Чиликин М.Г., Сандлер А.С. Общий курс электропривода. М.: Энергоиздат, 1981. 576 с.
5. Wood W. Transient torques in induction motors, due to switching of the supply / W. Wood, F. Flynn, A. Shanmugasandaram // Proc. IEE. 1965. № 7. V. 112.
6. Трещев И.И. Несимметричные режимы судовых машин переменного тока. Л.: Судостроение, 1965. 248 с.
7. Туганов М.С. Судовой бесконтактный электропривод. Л.: Судостроение, 1978. 288 с.
8. Исследование и разработка способов естественного повышения коэффициента мощности судоремонтных заводов: Отчет о НИР. № ГР. 81006260 / Рук. Осокин Б.В. Владивосток: Дальневост. высш. инж. морск. уч-ще, 1982. 75 с.
9. ВольдекА.И. Электрические машины. Л.: Энергия, 1978. 832 с.
10. Петров Л.П. и др. Асинхронный электропривод с тиристорными коммутаторами // Библиотека по автоматике. М.: Энергия, 1970. Вып. 380. 128 с.
11. Туганов М.С., Кулешов В.И., Фархутдинов Ф.Х. Обобщенный метод исследования электромагнитных процессов в системе «трехфазный тиристорный коммутатор-индуктивно-активная нагрузка» // Электричество. 1976. № 9. С. 77-80.
12. Копылов И.П. Электромеханические преобразователи энергии. М.: Энергия, 1973. 400 с.
