Общая характеристика специальных режимов работы судовых электроприводов Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА СПЕЦИАЛЬНЫХ РЕЖИМОВ РАБОТЫ СУДОВЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ

А.Ф. Бурков, К.В. Чупина Морской государственный университет им. адм. Г.И. Невельского Дальневосточный государственный технический университет им. В.В. Кирова г. Владивосток, ул. Верхнепортовая, 50-А, МГУ им. адм. Г.И.Невельского, к.210 E-mailiburkova@msun.ru

При работе судовых электрических приводов, наряду с нормальными режимами возможно возникновение специальных переходных и установившихся режимов. В ряде случаев такие режимы могут вызвать аварийные ситуации. В статье рассматриваются основные специальные режимы.

В большинстве случаев судовые электроприводы (ЭП) содержат трехфазные асинхронные двигатели (АД) с короткозамкнутым или фазным ротором, в процессе эксплуатации которых возможно возникновений 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]:

і = I • е+I , • еаі' + I, • е“2'; 1

£ £ Л £, ^ I

ГГ Г Г г (1)

і= I • е■*“+I , • е“1' -I, • е“2' .1 (1)

гг г1 г2 J

11 11

Здесь I^, Iг - векторы амплитуд установившихся значений токов статора и ротора, соответственно; I • е 1 , I,, • е 1 - векторы

1 1

свободных составляющих токов статора и ротора, создающие основной поток; I * е 2 , I,, • е 2 - векторы составляющих токов, создающих потоки рассеяния.

В (1) 1 и 2 - коэффициенты затухания.

Я • я

а2 =-

LO + LO

(2)

Здесь Я и Я - активные сопротивления обмоток статора и ротора, соответственно; 4 - взаимная индуктивность; 4 , 4

Os O

индуктивности рассеяния обмоток статора и ротора, соответственно.

Выражение для электромагнитного момента М двигателя имеет вид [2]:

З /І І . і v /І

-г і -г imt -г а,Г -г а-t \ і -г

2

Составляющая установившегося значения вращающего момента Муст в (3)

М = |• Lm •( • ej“ + 1si • e^+1 s2 • e“* )x(l„ • ej“+[ • e^-1 r2 • e“*). (3)

Муст = З • Lm •( • є'“ )x(/r • є'“ ) (4)

представляет собой момент, развиваемый АД с заторможенным ротором после окончания переходных процессов и определяется по

статической механической характеристике.

Апериодическая составляющая момента Man, которая может быть определена по формуле

М = 3• L • I. x 1_ • є(Сі+a2>t (5)

an m rl s 2

у многих АД затухает за 1-2 периода напряжения сети.

Сумма Муст и Мап представляет полезный вращающий момент двигателя Мдв, нарастающий по экспоненциальному закону

Мдв = Муст + Мап = М (ю)кд •( - Є(Сі +а2 ^ ), (6)

где М (ю) - определяется по формуле Клосса [4]; кд - коэффициент динамичности.

Знакопеременная составляющая Мзп, являющаяся основной причиной вибраций АД при пуске, после некоторых преобразований имеет вид:

М_ =-

М

сое фк

• cos (cot -фк )• e

ait

(?)

Здесь Мп - пусковой момент двигателя; ф^ - 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 4, составляющая Мзп увеличивается по сравнению с одновременным включением (7) и определяется как:

М =л/2 •

М

С08

COS Фк

ґ ПЛ

-Фк - -

V У

(8)

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 [9,10].

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, возможно возникновение несимметричных режимов питания статорных обмоток АД, обусловленное специфическими эксплуатационными особенностями ПП.

Во время работы ПП в ключевом режиме, в отличие от аналогичных, используемых для регулирования параметров, вероятность выхода их из строя 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 [11].

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 УУа из-за разных углов открытия встречно-параллельно соединенных вентилей);

- междуфазовая (УУа = 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-RL»), приведенные в [12], 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 [13]. Каждому условному двигателю отдельной гармоники соответствует своя схема замещения [7], причем от V зависят как индуктивные, так и активные сопротивления роторных цепей. Исходя из схемы замещения электромагнитный момент V -й гармоники выражается уравнением [7]:

мv =-

3 • Usv2 -(1 + gv- Sv)

0 • Rm • V°0 -V-

V ґ

R i II x

—s—+ g +— + —-—

iY ov 2 rt

oR sv о2 R

Y гн J \ гн

2

2 2 •V2•Ev2

(9)

где и^ - фазное напряжение V -й гармоники; gv - расчетный коэффициент для - V -й гармоники; 5^ - скольжение для V -й гармоники прямого и обратного полей; О - коэффициент рассеяния; Л - приведенное активное сопротивление обмотки ротора в номинальном режиме; Ю0 - угловая скорость электромагнитного поля статора; V - номер гармоники; Л - активное сопротивление обмотки статора; Xкн - индуктивное сопротивление короткого замыкания в номинальном режиме; ^ - относительное значение индуктивного сопротивления V -й гармоники.

Анализ механических характеристик системы «тиристорный коммутатор - асинхронный двигатель» («ТК-АД») в квазиустановив-шемся режиме, полученных аналитически при известных допущениях, позволяет сделать вывод, что при внутрифазовой несимметрии электромагнитный момент асинхронного двигателя будет определяться как:

М = 1 Mvnp, (10)

т. е. искажение кривой результирующего момента минимально.

В формуле (10) IМV* - результирующий момент гармоник полей прямого вращения.

При междуфазовой несимметрии

M = IMvlnp +I Mvlo6

(11)

где IMV1„ , IMvb6 - результирующие моменты нечетных гармоник полей прямой и обратной последовательностей, соответственно.

Если несимметрия имеет общий характер, то

M = IMv„p +IMvo6 + Mnocm • (12)

Здесь I Mvo6 - результирующий момент гармоник полей обратного вращения; Mпост - постоянная составляющая момента. Искажение механической характеристики в данном случае существенно.

В формулах (10)... (12) составляющиеMvnp и MVo6 определяются по (9), а Mnocm - 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 M'noCm (12), наличие которой одновременно с двигательным режимом создает режим динамического

торможения. MnoCm обычно вносит наибольшее искажение в механическую характеристику АД, т. к. 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 Mc на валу АД до и после возникновения несимметричного режима.

Литература:

1. Адкинс Б. Общая теория электрических машин / Б. Адкинс; пер. с англ. - М.; Л.: Госэнергоиздат, 1960. - 272 с.

2. Ковач К.П.Переходные процессы в машинах переменного тока / К.П.Ковач, И.Рац; пер. с нем; под ред. А.И.Вольдека. - М.; Л.: Госэнергоиздат, 1963. - 744 с.

3. Петров И.И. Специальные режимы работы асинхронного электропривода / И.И.Петров, А.М.Мейстель. - М.: Энергия, 1968. - 264

с.

4. Чиликин М.Г. Общий курс электропривода / М.Г.Чиликин, А.С.Сандлер. - 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 / И.И.Трещев. - Л.: Судостроение, 1965. - 248 с.

7. Туганов М.С. Судовой бесконтактный электропривод / М.С.Туганов. - 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. Вольдек А.И. Электрические машины / А.И.Вольдек. - Л.: Энергия, 1978. - 832 с.

10. Трещев И.И. Несимметричные режимы судовых машин переменного тока / И.И.Трещев. - Л.: Судостроение, 1965. - 248 с.

11. Петров Л.П. Асинхронный электропривод с тиристорными коммутаторами / Л.П.Петров, В.А.Ладензон, М.П.Обуховский, Р.Г.Под-золов // Библиотека по автоматике. - М.: Энергия, 1970. - Вып. 380. - 128 с.

12. Туганов М.С. Обобщенный метод исследования электромагнитных процессов в системе «трехфазный тиристорный коммутатор -индуктивно-активная нагрузка» / М.С.Туганов, В.И.Кулешов, Ф.Х.Фархутдинов // Электричество. - 1976. - № 9. - С. 77-80.

13. Копылов И.П. Электромеханические преобразователи энергии / И.П.Копылов. - М.: Энергия, 1973. - 400 с.