Повышение надежности работы мощных электродвигателей при переходных процессах в узлах нагрузки энергосистем

Для современных электроэнергетических систем (ЭЭС) характерно широкое применение синхронных двигателей (СД) большой единичной мощности, оказывающих существенное влияние на их работу в переходных режимах. Особенность эксплуатации узлов нагрузки, содержащих мощные электродвигатели, состоит в том, что при кратковременных нарушениях электроснабжения нагруженные СД могут выпадать из синхронизма, в результате чего возникает необходимость их отключения. Вместе с тем вынужденный останов агрегатов, как правило, нежелателен по следующим причинам. Во-первых, большинство производств в настоящее время используют непрерывный технологический цикл, даже кратковременное нарушение которого может привести к аварии и существенному ущербу. Во-вторых, увеличение удельного числа пусков и остановов существенно сокращает срок службы агрегатов. И в-третьих, СД, являясь источниками реактивной мощности, позволяют регулировать напряжение в узле нагрузки, поэтому сохранение их в работе в значительной мере способствует восстановлению нормального режима работы системы в целом. Разработка эффективных мероприятий по повышению бесперебойности работы мощных СД с целью предотвращения последствий их аварийного останова является актуальной народнохозяйственной задачей.

Исследование переходных процессов в узлах нагрузки, в частности, изучение закономерностей оптимального управления режимами самозапуска и ресинхронизации электродвигателей, требует использования математических моделей повышенной точности. Поэтому весьма важным аспектом рассматриваемой проблемы является совершенствование способов экспериментального определения необходимых при моделировании электромагнитных параметров двигателей.

Целью диссертационной работы является исследование и установление закономерностей протекания переходных процессов мощных электродвигателей при возмущениях в энергосистеме и разработка принципов управления этими процессами для повышения надежности работы узлов нагрузки с мощными электродвигателями. Уделено также внимание разработке методов экспериментального определения электромагнитных параметров, необходимых для математического моделирования динамических режимов двигателей.

Автор защищает следующие основные положения:

1. Предложенные способы экспериментального определения активных и индуктивных сопротивлений контуров статора и ротора электрической машины.

2. Установленные зависимости мгновенных значений моментов обмотки возбуждения (ОВ) и пусковой обмотки ротора при его про-вороте в поле статора.

3. Результаты исследования влияния момента ОВ при различных сопротивлениях разрядного резистора и углах подачи возбуждения на условия ресинхронизации СД.

4. Предложенный способ ресинхронизации СД.

5. Метод повышения надежности работы узла нагрузки с мощными двигателями за счет ресинхронизации СД предложенным способом.

Работа выполнена в Донецком ордена Трудового Красного Знамени политехническом институте.

I, АВАРИЙНЫЕ СИТУАЦИИ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ В УЗЛАХ НАГРУЗКИ ЭНЕРГОСИСТЕМ С МОЩНЫМИ.

ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯМИ.

В решениях ХХУ1 съезда КПСС и Постановлении ЦК КПСС и Совета Министров СССР «Об основных направлениях и мероприятиях по повышению эффективности использования топливо-энергетических ресурсов в народном хозяйстве в I98I-I985 гг. и на период до 1990 года» определены новые перспективы дальнейшего развития электроэнергетики, Большое значение придается экономичности, производительности и надежности работы оборудования энергетических систем.

В энергосистемах возрастают количество и установленная мощность узлов нагрузки, содержащих группы технологически ответственных электродвигателей. Мощные двигатели, особенно синхронные (их единичная мощность уже в ближайшем будущем достинет 60 МВт), оказывают существенное влияние на характер протекания переходных процессов в ЭЭС. В силу присущих им свойств, синхронные двигатели, как известно, относят к важнейшим элементам энергосистемы [i]. Благодаря технико-экономическим преимуществам [l, 2], они находят широкое применение на компрессорных станциях магистральных нефтеи газопроводов, на предприятиях химической, нефтеперерабатывающей промышленности, черной и цветной металлургии, электростанциях. Особенностью большинства из названных производств является непрерывность технологического цикла [3,4]. Это значит, что даже кратковременный останов одного из агрегатов может повлечь за собой полное или частичное нарушение производственного процесса, простои, брак, повреждение оборудования, а в ряде случаев создать аварийную ситуацию, опасность для жизни людей. Указанные ситуации, связанные с аварийным отключением отдельных двигателей и их групп, других потребителей, как правило, бывают вызваны кратковременным нарушением электроснабжения, учитывая то, что сохранение в работе СД, являющихся источниками реактивной мощности, имеет первостепенное значение для поддержания устойчивости в переходных режимах узла нагрузки и ЭЭС в целом, к синхронному приводу в современных условиях предъявляются повышенные требования, важнейшие из которых — бесперебойность и долговечность.

Типичной причиной останова СД является отключение его запщ той или повреждение вследствие выхода из синхронизма. Обычно это происходит в результате кратковременной потери питания (посадки напряжения) из-за короткого замыкания на линии, работы АПВ или АВР. Реже случается переход двигателя в асинхронный режим вследствие наброса нагрузки, неуспешной синхронизации, перегруза, потери возбуждения. В свете сформулированных выше требований, главной задачей, таким образом, следует считать разработку мероприятий, направленных на скорейшее восстановление нормального режима работы СД при возникновении указанных ситуаций. Для успешного решения поставленной задачи необходимо всестороннее исследование таких режимов как пуск, повторное включение, самозапуск, ресинхронизация.

Динамические режимы работы двигателя сопровождаются ударными токами и моментами, многократно превышающими номинальные значения, перенапряжениями, а также существенным усилением вибрации лобовых частей обмотки статора. Изучение перечисленных факторов важно не только с точки зрения их влияния на характер протекания переходного процесса (поведение двигателя). Оно имеет еще значение для правильного выбора и эксплуатации всех звеньев привода, что в конечном счете определяет срок его службы. Так, динамический момент может при пуске в 5−7, а при повторном включении в 15−20 раз превышать номинальный [3,5—7]. Это на много больше электромагнитного момента, возникающего в режиме трехфазного короткого замыкания на статоре при напряжении 105%, который принимается в качестве предельного расчетного момента синхронной машины. Кроме того, целый ряд механизмов в силу своих конструктивных особенностей не допускает при работе значительных ускорений. Более других чувствительны к рывкам и ударам поршневые комцрессоры. Их допустимый момент превышает номинальный не более чем в 2−3 раза. Оценка величины ударного момента нужна и цри исследовании динамики приводов с гибкими связями, мощных насосных установок, агрегатов высокого давления, систем, подверженных колебательным процессам. Следует, однако, сказать, что измерение указанной величины встречает известные трудности [5−9] .

Относительно вопроса долговечности работы самого двигателя необходимо отметить следующее. Как показывает анализ причин повреждаемости высоковольтных электродвигателей собственных нужд блочных электростанций [ю-14], 75−85 $ отказов происходит в результате выхода из строя обмотки статора вследствие нарушения ее изоляции. Установлено [l5−20], что ускоренное старение и повреждение изоляции происходит под действием резкого увеличения амплитуды перемещения стержней обмотки статора в динамических режимах. Найденные технические решения, касающиеся усиления жесткости крепления обмотки статора в области лобовых частей, пока не получили распространения.

Глубокое исследование динамических режимов работы возможно лишь при комплексном использовании экспериментального метода и метода математического моделирования. Область применения экспериментальных исследований ограничена, что главным образом касается промышленных испытаний. В условиях действующего предприятия можно осуществить далеко не все опыты. Приходится также учитывать их влияние на производственный процесс, на надежность работы окружающего оборудования и самого объекта исследований. Так, например, несинхронное повторное включение или внезапное короткое замыкание вызывают ударный момент и перемещения стержней обмотки статора с амплитудами в 2−4 раза больше чем при пуске. Сокращение срока службы двигателя из-за ускоренного износа изоляции статора, вредное действие динамического момента на механизм делают производство подобных опытов нежелательным. Следует иметь в виду и немалые трудозатраты по их реализации. Отмеченных недостатков лишен метод математического моделирования. Эксперимент однако не теряет своего значения, поскольку только он позволяет проверить совершенство модели и получить необходимые для ее составления данные об объекте.

Математическая модель электрической машины переменного тока непрерывно совершенствуется. Дифференциальные уравнения маг-нитосвязанных контуров статора и ротора (уравнения Парка-Горева) в совокупности с уравнением движения привода весьма точно описывают ее поведение в различных эксплуатационных и аварийных режимах. Для детального исследования электромагнитных и электромеханических переходных процессов современных высокоиспользованных электрических машин в этих уравнениях должны находить отражение, по мере надобности, такие явления как насыщение магнитных цепей, влияние высших гармонических поля в зазоре, поверхностный эффект в статоре (при значительной несимметрии ротора или специфичной форме питающего напряжения) и ротора.

Явление вытеснения тока в роторе оказывает наиболее существенное влияние на характер протекания переходного процесса. Оно проявляется в довольно сложной зависимости параметров ротора от тока. Точное математическое описание этих зависимостей весьма громоздко. Предпринимались попытки задания параметров ротора в виде функций скольжения [21−23 и др.]. Однако такой метод дает удовлетворительные результаты лишь для достаточно длительных, квазиустановившихся процессов, имеющих место в высокоинерционных приводах. Погрешность расчетов будет тем ощутимее, чем больше величина ускорения [24,25]. В случае скоротечных (несколько полупериодов питающего напряжения) переходных режимов или значительных возмущении ударного характера ток ротора существенно отличается от синусоиды и использование упомянутых функций затрудняется.

Аналогичные недостатки присущи и способу фиктивной замены пусковой обмотки (массива) ротора двойной беличьей клеткой с постоянными параметрами [26−2в], найденными по его известным сопротивлениям при двух значениях скольжения, например, при номинальном и единице.

Наиболее перспективной является методика представления ротора эквивалентной многоконтурной схемой замещения (для синхронной машины — двумя, по продольной и поперечной осям) с постоянными параметрами, значения и количество последних подбирают так, чтобы суммарное сопротивление контуров схемы замещения с максимальным приближением соответствовало комплексному сопротивлению ротора" Достоинство этой методики в правильном отражении сущности процессов при любых частотах и законах изменения токов ротора, а также в сравнительной простоте. В частности, синтез подобных схем замещения может быть осуществлен по экспериментально полученным зависимостям параметров ротора от скольжения [2932]. Составление же подробного аналитического описания зависимостей параметров от протекающих токов (их амплитуд, частот, производных высших порядков) потребовало бы дополнительных экспериментов и расчетов. Использование многоконтурных схем замещения сводится к дополнению уравнений Парка-Горева дифференциальными уравнениями эквивалентных роторных контуров. Этот способ учета вытеснения тока в роторе получил в последнее время широкое распространение и позволил значительно повысить эффективность црименения уравнений Парка-Горева.

Разрабатываются способы строго обоснованного учета также добавочных потерь в статоре, высших гармонических составляющих поля, насыщения по путям главного магнитного потока и потоков рассеяния [33−4l]. Комплексные исследования электромеханических переходных процессов в наиболее сложных электроэнергетических системах [42−44] требуют дальнейшего изучения и математического описания явлений, характеризующих работу электрической машины. Необходимо развитие и совершенствование методик, упрощающих реализацию задач на АВШ и ЦВМ при учете указанных и других факторов на базе конструктивных данных машины. Следует, однако отметить, что усложнение математической модели приводит к увеличению числа ее коэффициентов (электромагнитных параметров), характеризующих состояние магнитных и электрических цепей, уточнение параметров на основе эксперимента, необходимое при решении ряда задач, существенно затрудняется.

Возросшие возможности современных средств вычислительной техники позволяют по иному подойти к рассмотрению проблемы. В задачах математического моделирования сейчас всеобщее применение находит численное интегрирование дифференциальных уравнений машины на ЦВМ в силу известных преимуществ такого пути (высокая точность, универсальность, непрерывное пополнение библиотеки программ расчета, создание новых многоцелевых алгоритмов). Опыт использования уравнений Парка-Горева показывает, что при условии удачного подбора' параметров, они обеспечивают хорошую сходимость результатов моделирования с экспериментом. Больший эффект достигается при задании активных сопротивлений, индуктивностей и взаимоиндуктивностей контуров статора и ротора в виде параметрических зависимостей, отражающих специфику переходного процесса (вытеснение тока ротора учитывается представлением его многоконтурными схемами замещения с постоянными параметрами). Интегрируя уравнения Парка-Горева численными методами на ЦВМ, можно каждый из параметров задать функцией многих переменных, например, амплитуды и частоты токов по различным (взаимоперпендикулярным) осям, их производных. Возможность такого подхода в принципе известна и неоднократно использовалась, в частности, для учета насыщения [5,45⁴⁶ и др.]. Однако трудность получения и обработки данных, необходимых для синтеза соответствующих зависимостей, вынуждала авторов идти на значительные упрощения, что не могло не сказываться на точности. Для исчерпывающего решения вопроса в изложенной постановке необходима разработка специальной методики, позволяющей опытным путем установить взаимосвязи между совокупностью различных факторов и ограниченным числом параметров.

Актуальность проблем определения электромагнитных параметров обусловлена тем, что от уровня ее решения в конечном счете зависит успех применения математического моделирования. Особое значение она приобретает при исследовании сложных энергосистем, содержащих электрические машины большой единичной мощности (в настоящее время применяются СД мощностью свыше 30 МВт). В данных условиях высокая точность оцределения параметров мощных двигателей, которые на производствах с непрерывным циклом относят к потребителям первой категории, необходима как с точки зрения оценки их влияния на режим работы сети, так и для выработки оптимальных, с точки зрения технологии, критериев эксплуатации.

Выше говорилось о сложностях, связанных с применением экспериментальных исследований. С этих позиций при определении параметров стремятся свести к минимуму объем экспериментальной информации [47−50]. Детально изучить влияние различных факторов на величину параметров, в частности, влияние зубчатости воздушного зазора, позволяет применение приемов физического моделирования [38,51~53]. Получили развитие инженерные и строго обоснованные расчетные методы [1,36,37,42,54−60], использующие в качестве исходной информации конструктивные и каталожные характеристики машины. Отмечая важность и перспективность названных направлений исследования электрической машины, следует вместе с тем отметить необходимость непрерывного развития экспериментальных методов определения параметров. Статистика показывает, что при современном серийном производстве технологическая вариация (рассеивание) параметров и характеристик однотипных машин достигает 30% и более [7,61−63]. В данных условиях расчет некоторых усредненных параметров (без учета индивидуальных особенностей изготовления машины) не всегда удовлетворяет требованиям, предъявляемым к точности моделирования. Для моделирования переходных процессов в технологически ответственных системах, содержащих мощные машины с высоким удельным использованием активных материалов, отыскание параметров следует вести принимая во внимание соответствующую экспериментальную информацию, полученную из режимов, аналогичных исследуемым.

Развитию новых методов [64−66 ] экспериментального определения параметров электрической машины уделяется большое внимание [67−75 и др.]. Многими авторами отмечается необходимость дальнейшего совершенствования существующих методов, как в части учета разного рода нелинейностей, так и в том, что касается анализа физической сущности, способов получения и обработки исходных (опытных) данных. Характерно, что среди требований к точhocthj виду и полноте получаемых результатов особое место занимает требование к простоте реализации указанных методов в условиях производства. Важной задачей является определение параметров из рабочих режимов и режимов, анализ которых используется для выработки рекомендаций по повышению надежности работы системы.

Одно из главных требований надежности — бесперебойность работы СД, в значительной мере удается обеспечить, создав благоприятные условия для успешного самозапуска [l-3f76−80]. Проще всего этого добиться для двигателей, работающих с недогрузом. На производстве нередко можно встретить агрегаты, в которых СД загружены на 50−70 $. При проектировании предприятий и промышленных установок, случается, идут на искусственное завышение мощности приводного двигателя при недопустимости его аварийного останова, хотя неэкономичность такого решения очевидна. Некоторые механизмы позволяют выполнить быструю разгрузку, как например* поршневые компрессоры при переводе на перепускной клапан. Такую возможность удобно использовать, если кратковременная разгрузка не нарушает технологии.

Куда более сложно осуществить самозапуск под нагрузкой. Возможность самозапуска после восстановления электроснабжения определяется степенью снижения скорости вращения ротора, остаточным напряжением статора и фазой повторного включения, зависящими от параметров СД, длительности перерыва питания (понижения напряжения), характера нагрузки, момента инерции вращающихся частей. Фаза повторного включения влияет на закон изменения динамического момента (величину и направление первого броска ударного момента, длительность и интегральное значение знакопеременного момента), который в свою очередь оказывает решающее действие на протекание режима самозапуска и втягивание двигателя в синхронизм при кратковременных нарушениях электроснабжения [81,82]. Возможно управление этим процессом [81−84] с помощью специальных устройств быстродействующей синхронизации СД с сетью после восстановления напряжения. Однако при значительных перерывах питания, порядка секунды и более, большинство синхронных двигателей при нагрузке близкой к номинальной без применения средств ресинхронизации в синхронизм не входят.

Не прибегая к механическому воздействию на вал, ресинхронизации СД можно достичь путем управления полем статора или полем ротора. В соответствии с названными принципами, разработка способов ресинхронизации в настоящее время ведется в двух направлениях. ресинхронизация коммутацией фаз статора [85−89] широкого распространения пока не получила ввиду того, что промышленностью еще недостаточно освоен выпуск коммутирующей аппаратуры, требуемой мощности и быстродействия, управление со стороны статора связано со значительными колебаниями в сети из-за ударных токов, многократно превышающих номинальный. Нельзя не учитывать также возникающие при переключениях фаз ударные моменты.

Способы ресинхронизации путем управления возбуждением, являющиеся в известном смысле традиционными, в условиях непрерывного повышения требований к бесперебойности работы и эффективности использования возможностей современных СД, нуждаются в усовершенствовании. Опыт эксплуатации синхронных электроприводов показывает, что кратковременное гашение поля ротора при выпадании двигателя из синхронизма часто не дает желаемых результатов. Для повышения входного момента необходимо регулирование возбуждения осуществлять в функции угла в поворота ротора относительно поля статора. В [90 ] исследованы условия ресинхронизации во всем диапазоне углов подачи возбуждения от 0 до 360° при форсировках различной величины и знака. Предлагается [90−92] для облегчения вхождения двигателя в синхронизм применение циклической или знакопеременной форсировки возбуждения. Основная трудность здесь в том, что для реализации предлагаемых рекомендаций величина форсировки должна быть весьма высока -300 500% и более (серийными возбудителями не обеспечивается). В противном случае серьезным препятствием для втягивания СД в синхронизм является развиваемый обмоткой возбуждения в асинхронном режиме знакопеременный момент [93,94]. Он оказывается тормозным после подачи возбуждения при 8, согласно [90−92], порядка 270−330°. В данной ситуации желательно как можно скорее добиться установления заданного тока возбуждения, однако скорость его нарастания ограничивается постоянной времени цепи обмотки возбуждения (нужна сильная форсировка). Исследований указанного момента с целью устранения его тормозного или использования ускоряющего действия в достаточной мере не проводилось, В [95]. было обращено внимание на то, что если, не подключая возбудительf в асинхронном режиме определенным образом коммутировать обмотку возбуждения, то развиваемый двигателем суммарный электромагнитный момент в среднем повышается. Данный вывод был получен в результате рассмотрения упрощенных уравнений СД (считалось, что активное сопротивление в цепи статора и пусковая обмотка ротора отсутствуют) с точки зрения получения оптимальной фазы тока обмотки возбуждения (первой гармоники) для создания положительного момента.

Для качественной и количественной оценки явлений, характеризующих процессы асинхронного хода и ресинхронизации, необходим анализ моментов, создаваемых обмоткой возбуждения и пусковой обмоткой (массивом) ротора, по мере изменения углового положения последнего относительно поля статора. Нужно учитывать колебания скольжения, влияние электрической и магнитной несимметрии ротора на моментную характеристику пусковой обмотки. Практические рекомендации по улучшению условий ресинхронизации могут быть разработаны в результате сопоставления указанных моментов и момента нагрузки при различных скольжениях и параметрах цепи обмотки возбуждения.

Актуальность затронутых в данной главе проблем обусловливает необходимость поиска новых технических решений в указанной области, использования современных средств исследования переходных процессов в ЭЭС. Сформулируем, исходя из изложенного, основные задачи настоящей работы:

1. разработка способов экспериментального определения электромагнитных параметров электродвигателей с целью повышения точности моделирования их работы в динамических режимах.

2. Расчетно-аналитическое и экспериментальное исследование работы двигателей при вызванных действием АПВ и АВР перерывах питания различной длительности.

3. Исследование влияния несимметрии ротора и фазы подачи возбуждения на условия втягивания СД в синхронизм и сравнительные исследования известных способов ресинхронизации.

4. Разработка способа ресинхронизации, позволяющего повысить входной момент СД.

5. Исследование влияния применения различных способов ресинхронизации на режим работы узла нагрузки и оценка их эффективности в условиях многомашинной системы.

5.1. Выводы.

I. Обеспечение ресинхронизации СД повышает бесперебойность работы производственных механизмов и способствует восстановлению устойчивости узла нагрузки в переходных режимах.

2. В условиях многомашинных систем ресинхронизация технологически ответственных СД затрудняется вследствие повышенного потребления мощности смежными двигателями. В указанных условиях предложенный способ ресинхронизации имеет преимущества перед известными.

3. Применение предложенного способа синхронизации снижает броски токов при вхождении СД в синхронизм и ускоряет восстановление напряжения в узле нагрузки.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В ходе достижения поставленной в диссертации цели решались задачи, направленные на уточнение математической модели электрического двигателя в динамических режимах за счет совершенствования методики расчета электромагнитных параметров, а также задачи поиска с помощью данной модели способов эффективного управления работой двигателей при переходных процессах в ЭЭС.

1. Разработана методика экспериментального определения электромагнитных параметров электродвигателей из рабочих режимов. Предложены новые способы, позволяющие повысить точность определения указанных параметров.

2. Показано влияние длительности перерыва питания и фазы повторного включения на условия самозапуска. Установлена зависимость переходного момента СД от фазы повторного включения. Выявлены благоприятные и неблагоприятные для втягивания СД в синхронизм фазы повторного включения. Оценены границы успешного самозапуска СД с точки зрения длительности перерыва питания.

3. Получены зависимости мгновенных значений моментов ОВ и пусковой обмотки ротора от его углового положения в поле статора. Выявлены зоны ускоряющего и тормозного действия момента ОВ. Устаг-новлено, что при углах в 350−360°, 0−80° и 170−260° момент ОВ тормозной.

4. Установлено, что при уменьшении активного сопротивления цепи ОВ, в частности при подаче возбуждения, тормозное действие ее момента усиливается.

5. Предложен способ ресинхронизации СД с предварительным гашением размагничивающего поля ОВ. Данный способ позволяет устранить тормозное действие момента ОВ при использовании его ускоряющего действия и расширить диапазон действия синхронизирующего момента. Наряду с повышением входного момента, предложенный t способ позволяет уменьшить на 15−25% амплитуду колебаний токов статора и ротора при вхождении СД в синхронизм. Показаны преимущества предложенного способа перед известными. Осуществлена опытная проверка способа. Как пример реализации разработано и внедрено устройство автоматической ресинхронизации СД.

6. Показано, что применение ресинхронизации СД предложенным способом способствует повышению напряжения в узле нагрузки и восстановлению нормального режима его работы.

7. Показано, что применение разработанных рекомендаций позволяет повысить бесперебойность работы СД и узла нагрузки в целом. Кроме того использование указанных рекомендаций уменьшает колебания токов, сокращает удельное число пусков двигателей и в совокупности с мероприятиями по усилению жесткости крепления обмотки статора (а.с. № 723 724) позволяет увеличить срок службы оборудования.