CC BY
40
УДК 621.313.322-044.952
Н.А. Беляев, Э.В. Любимов
Пермский национальный исследовательский политехнический университет
ИССЛЕДОВАНИЕ ВИРТУАЛЬНОГО ПРИБОРА ДЛЯ СНЯТИЯ УГЛОВОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ СИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА
Исследован виртуальный прибор для снятия угловой характеристики синхронного генератора в лаборатории электропривода кафедры электротехники и электромеханики Пермского национального исследовательского политехнического университета на компьютеризированном стенде с использованием устройства косвенного определения угла нагрузки. На основании исследований делается вывод о возможности применения виртуального прибора для работающих синхронных генераторов большой мощности и мониторинга мгновенного значения величины угла нагрузки, с использованием разработанного устройства для выявления неисправностей синхронного генератора.
Синхронные генераторы вырабатывают порядка 80 % электроэнергии во всем мире. Аварийные режимы работы синхронных генераторов на тепловых электростанциях, гидроэлектростанциях или в составе автономных энергоустановок могут привести к перебоям в подаче электроэнергии конечному потребителю и дорогостоящему ремонту оборудования.
Аварийные режимы работы возникают из-за различных неисправностей, повреждений и дефектов синхронных генераторов или аномальных режимов работы электрической сети. Статистика повреждений синхронных генераторов отображена на рис. 1 [1].
Другие повреждения 12% Повреждение элементов
подшипников 38 %
Повреждение элементов Повреждение элементов
статора 40 % ротора 10 %
Рис. 1. Статистика повреждений синхронных генераторов
Мониторинг технического состояния работающего синхронного генератора по мгновенным значениям его основных электрических параметров и их анализ позволят своевременно определять возникновение и характер неисправности, избежать неожиданных аварий, спланировать ремонтные работы с минимальными потерями, продлить срок службы оборудования. В качестве дополнительного интегрального параметра для анализа аварийных режимов работы предлагается использовать мгновенное значение угла нагрузки синхронного генератора.
Разработано устройство косвенного определения угла нагрузки синхронного генератора по напряжению и току [2]. В состав устройства входят плата для сбора данных, компьютер и разработанное программное обеспечение. В качестве среды разработки было выбрано программное обеспечение «LabVIEW» компании «National Instruments®» - производителя плат сбора данных. Существующие устройства определения угла нагрузки имеют существенный недостаток, а именно для их работы необходимо наличие датчика углового положения ротора генератора. Для работы разработанного устройства необходимо знать мгновенные значения тока и напряжения и значение активного и индуктивного сопротивлений обмотки статора. Индуктивное сопротивление обмотки статора определяется по отношению ЭДС к току короткого замыкания, которые в свою очередь можно заранее определить по характеристикам холостого хода и короткого замыкания машины. Следовательно, для работы разработанного устройства не нужно иметь специальных датчиков, а достаточно иметь датчики мгновенных значений тока и напряжения.
Устройство косвенного определения угла нагрузки синхронного генератора по напряжению и току использует формулы (1) и (2). По известным исходным данным рассчитываем мгновенное значение ЭДС:
Я = U + / • R + j • / • X,, (1)
где Е - комплексное значение ЭДС, В; U - комплексное значение
напряжения, В; I - комплексное значение тока статора, A; R - ак-
тивное сопротивление обмотки статора, Ом; Xd - индуктивное сопротивление обмотки статора, Ом.
Вычисляем значение начальных фаз напряжения и ЭДС и рассчитываем мгновенное значение угла нагрузки:
0=k в -V „ I (2)
где 0 - угол нагрузки синхронного генератора, рад; ув - начальная фаза ЭДС, рад; - начальная фаза напряжения, рад.
Одной из важных характеристик синхронного генератора является угловая характеристика. Информация о мгновенном значении угла нагрузки позволяет прогнозировать момент выпадения синхронной машины из синхронизма и своевременно форсировать возбуждение, тем самым предотвращая аномальный (в некоторых случаях аварийный) режим работы. Поэтому наличие виртуального прибора для снятия угловой характеристики в составе системы мониторинга весьма целесообразно.
На рис. 2 приведена фронтальная панель разработанного виртуального прибора для снятия угловой характеристики.
Рис. 2. Виртуальный прибор для снятия угловой характеристики синхронного генератора
Угловая характеристика получена в лаборатории электропривода кафедры электротехники и электромеханики на компьютеризированном стенде, где использован макет синхронного неявнополюсного
генератора мощностью 50 Вт. Активная мощность синхронного генератора в виртуальном приборе рассчитывается по формуле
т ■ и • I . „
Р =—-------вт 0, (3)
где Р - активная мощность, Вт.
Точками на графике показана часть угловой характеристики, снятая в ручном режиме с использованием приборов класса точности 0,5; сплошной линией на графике показана часть угловой характеристики, снятая в автоматическом режиме; пунктирной линией на графике показана достроенная ветвь угловой характеристики.
Исследование аварийных режимов работы синхронного генератора по углу нагрузки было выполнено в приложении Бітиітк пакета МШЬаЬ. В процессе исследования были проведены эксперименты для синхронных машин мощностью от 100 кВт до 200 МВт в режимах: нормальном рабочем режиме при набросе нагрузки, в аварийных режимах однофазного и двухфазного коротких замыканий обмотки статора генератора.
0, град
0 2 4 6 В 10 о 100 200 300 400 500
1’с /,Тц
а б
Рис. 3. Рабочий режим синхронного генератора при набросе нагрузки: изменение угла нагрузки а - во временной области; б - в частотной области
В качестве примера на рис. 3-5 представлены графики изменения угла нагрузки во временной и частотной области для указанных выше режимов синхронного гидрогенератора мощностью 200 МВт. Анализ полученных зависимостей угла нагрузки во временной области
показал, что при однофазном и двухфазном коротком замыкании, если вовремя не срабатывает защита, синхронный генератор не выпадает из синхронизма, а продолжает работать в аварийном режиме. В частотной области появляются амплитуды с частотой / = 2/сети-п, где _/^ети -
частота сети 50 Гц, п = 0, 1, 2, 3_щ. Причем характер изменения угла
нагрузки в частотной области не зависит от мощности машины. Это дает возможность идентифицировать неисправности по виду спектра.
0, град
Рис. 4. Однофазное короткое замыкание обмотки статора: изменение угла нагрузки: а - во временной области; б - в частотной области
0, град
Рис. 5. Двухфазное короткое замыкание обмотки статора: изменение угла нагрузки: а - во временной области; б - в частотной области
Таким образом, на основании исследований виртуального прибора на лабораторном компьютеризированном стенде можно говорить о возможности его применения для работающих синхронных генераторов большой мощности, а мониторинг мгновенного значения величины угла нагрузки с использованием разработанного устройства позволяет фиксировать возникновение и характер аварийных режимов работы и выявлять неисправности синхронных генераторов.
Библиографический список
1. Максютов С.Г. Диагностирование теплового состояния крупных электродвигателей НПС магистральных трубопроводов // Магистральные и промысловые трубопроводы: проектирование, строительство, эксплуатация и ремонт: науч.-техн. сборник. - М., 2006. - № 2.
2. Любимов Э.В., Беляев H.A. Устройство определения угловой характеристики синхронных двигателей // Нефтегазовое и горное дело: материалы Всерос. науч.-техн. конф. - Пермь, 2010.
Получено 06.09.2012
