IMPROVEMENT OF PROTECTION OF THE BRUSHLESS SYNCHRONOUS ELECTRIC MOTOR

Минаков В.Ф.

Доктор технических наук, профессор,

Санкт-Петербургский государственный экономический университет

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ЗАЩИТЫ ВЕНТИЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ

Аннотация

Предложены способы обеспечения защиты вентильных электродвигателей на базе синхронных машин и преобразователей частоты: продольной и поперечной дифференциальных защит, максимальной токовой защиты, защиты от перегрузок, а также от замыканий на землю.

Ключевые слова: вентильный электродвигатель, преобразователь частоты, релейная защита.

Minakov V.F.

Doctor of technical science, professor,

St. Petersburg State University of economics

IMPROVEMENT OF PROTECTION OF THE BRUSHLESS SYNCHRONOUS ELECTRIC MOTOR

Abstract

Ways of ensuring protection of brushless synchronous electric motor on the basis of synchronous motors and converters of frequency are offered: longitudinal and cross differential protection, the maximum current protection, protection against overloads, and also against short circuits on the earth.

Keywords:  brushless synchronous electric motor, frequency converter, relay protection.

Вентильный двигатель на базе тиристорного преобразователя частоты с явно выраженным звеном постоянного тока и синхронной машины, обеспечивает регулирование частоты вращения ротора машины в широком диапазоне, а также плавный пуск с пониженными пусковыми токами [1 - 3]. Работа синхронной машины в режиме вентильного двигателя позволяет существенно улучшить характеристики приводов прокатных станов, систем подачи воды, реализовать мощные энергетические установки с аккумулированием воздуха, гидроаккумулирующие, парогазовые пиковые энергоблоки [4 - 6]. Исключение пусковых ударных токов [7 - 10], во-первых, повышает износостойкость привода, снижая воздействия токов в квадратичной зависимости от их уровней. Во-вторых, безударный режим благоприятен для систем электропитания приводных установок, позволяет использовать системы меньшей мощности. Важно, также, что вентильный способ регулирования частоты вращения характеризуется малыми потерями и потреблением электрической энергии. Свойство энергосбережения имеет принципиальное значение для электроэнергетики страны, обеспечивая кратное снижение затрат на энергоресурсы [11, 12]. Учитывая, что производство электроэнергии синхронными генераторами является первичным в производственных процессах, снижение ее себестоимости влечет за собой каскадный эффект понижения затрат предприятий – потребителей электрической энергии.

Использование вентильных двигателей ставит вопросы обеспечения защиты синхронной машины от анормальных и аварийных режимов при работе с тиристорым преобразователем частоты в условиях глубокого отклонения частоты от номинального значения [2, 13 - 15]. Проблема относится не только к исполнительным органам релейной защиты и противоаварийной автоматики, но и к датчикам, а также к логическим органам средств защиты.

Автором получены универсальные характеристики погрешности трансформаторов тока при трансформации трапецеидального тока с бестоковыми паузами и переменной частотой [2]. Установлены частотные границы, при которых токовые трансформаторы работают из-за насыщения ферромагнитных магнитпроводов с недопустимой погрешностью. Определена область потери чувствительности продольной дифференциальной защиты при внутренних повреждениях машины: при частотах 25% от номинальной и ниже. Поперечная дифференциальная защита функционирует, не теряя чувствительности при работе на пониженных частотах. Максимальная токовая защита на низших частотах (до 24% номинальной величины) снижает чувствительность и даже при коротких замыканиях на выводах синхронной машины оказывается нечувствительной. Дистанционная защита сокращает зону действия, однако, поток повреждений, к которым нечувствительна такая защита, не превышает 0,000268 1/год [16]. Токовые защиты обратной последовательности теряют на низших частотах способность выделения составляющих обратной последовательности. Но анализ такой характеристики, как перегрузочная способность синхронной машины при повышении токов обратной последовательности, позволил установить, что она повышается, не требуя при этом дополнительной защиты машины. Защиты от замыканий на землю (типа ЗЗГ) дают в условиях работы с тиристорным преобразователем частоты ложные срабатывания и требуют, следовательно, вывода их из работы.

Разработаны принципы функционирования и схемотехнические решения для синхронной машины с тиристорным преобразователем и регулированием частоты питающего напряжения [3, 17 - 20]. Так, частотно-независимая продольная дифференциальная защита выполняется на основе алгоритма частотной коррекции сопротивления нагрузки вторичной цепи трансформаторов тока, а именно – его понижения синхронно со снижением частоты. Защита обратной последовательности обеспечивается методом фазового торможения, пропорционального длительности полупериодов тока, возрастающих при пониженных частотах. Защита от замыканий на землю вентильного электродвигателя обеспечивается за счет компенсации наложенного сигнала в рабочей цепи. Максимальная токовая защита и защиты от перегрузок при использовании герметизированных магнитоуправляемых датчиков тока не только не теряют чувствительности, так как не имеют замкнутых насыщающихся магнитопроводов, как трансформаторы тока, но и повышают точность срабатывания на пониженных частотах.

Вывод. Предложенные способы совершенствования средств релейной защиты и автоматики вентильных электродвигателей позволят повысить надежность их работы. В результате будут сокращены затраты на ремонты и эксплуатацию систем электропривода с глубоким регулированием частоты вращения. Это позволит перейти к широкому распространению вентильного электропривода, особенно – на электрических станциях и подстанциях.

Литература

1. Платонов В. В. Анализ стратегии развития электроэнергетики России. – Новочеркасск: ЮРГТУ (НПИ). – 2005. – 48 с.
2. Минаков В. Ф. Релейная защита турбогенератора с частотно–тиристорным пуском: Автореф. дисс. ... канд. техн. наук. – Новочеркасск. – 1985. – 16 с.
3. Минаков В. Ф., Кужеков С. Л., Негримовский П. Я. Релейная защита электрических машин с тиристорными разгонными устройствами // Известия высших учебных заведений. Электромеханика. – 1984. – № 11. – С. 127.
4. Минаков В. Ф., Минакова Т. Е. Исследование динамики производства электроэнергии ре­гиона // Вестник Северо-Кавказского федерального университета. – 2005. – № 4. – С. 74–77.
5. Дьяков А. Ф., Платонов В. В. Единая электроэнергетическая система России в период рыночных преобразований: учеб. пособие. – М.: Изд-во. МЭИ. – 2003. – 150 с.
6. Дьяков А. Ф., Платонов В. В. О проблемах высшего энергетического и электротехнического образования в России // Электричество. – 2011. – № 12. – С. 2-11.
7. Минаков В. Ф., Редькин В. М., Оськина Г. М., Минакова Т. Е. Математическое моделирование пусковых режимов трехфазных асинхронных двигателей // Вестник Северо-Кавказского федерального университета. – 2003. – № 1. – С. 226-234.
8. Минаков В. Ф.,, Редькин В. М., Минакова Т. Е., Чуркин Д. Г. Методика типизации параметров двигателей серии 4 А // Известия высших учебных заведений. Электромеханика. – 1993. – № 6. – С. 77.
9. Минакова Т. Е., Минаков В. Ф. Моделирование износа изоляции трехфазных асинхронных электродвигателей 0,4 кВ // Известия высших учебных заведений. Электромеханика. – 2014. – № 3. – С. 94-95.
10. Минакова Т. Е., Минаков В. Ф. Обобщенная модель износа электродвигателей // Международный научно-исследовательский журнал = Research Journal of International Studies. – 2013. – № 12-1 (19). – С. 108-110.
11. Минакова Т. Е., Минаков В. Ф. Синергия энергосбережения при высокой добавленной стоимости продукции // Современные проблемы науки и образования. – 2013. – № 4. – С. 26.
12. Дьяков А. Ф., Платонов В. В. Занижение тарифов на электроэнергию - популистское насилие, разрушающее экономику России // Энергетик. – 2002. – № 6. – С. 2-7.
13. Минаков В. Ф., Минакова Т. Е. Способ защиты двигателей от несостоявшихся пусков // Международный научно-исследовательский журнал = Research Journal of International Studies. – 2013. – № 12-1 (19). – С. 106-107.
14. Минаков В. Ф., Минакова Т. Е. Способ контроля симметрии трехфазного напряжения // Международный научно-исследовательский журнал = Research Journal of International Studies. – 2014. – № 3-2 (22). – С. 39-40.
15. Минакова Т. Е., Минаков В. Ф. Параллельная работа кабельной и воздушной линий электропередачи // Международный научно-исследовательский журнал = Research Journal of International Studies. – 2013. – № 11-1 (18). – С. 113-114.
16. Минакова Т. Е., Минаков В. Ф. Интеграция средств защиты электродвигателей сельскохозяйственного производства // Научное обозрение. – 2013. – № 10. – С. 172-176.
17. Минакова Т. Е., Минаков В. Ф. Блочная структура средств релейной защиты и автоматики // Альманах современной науки и образования. Тамбов: Грамота. – 2013. – № 10 (77). – С. 114–116.
18. Минаков В. Ф., Минакова Т. Е. Способ быстродействующей защиты электродвигателей от несостоявшихся пусков // Альманах современной науки и образования. Тамбов: Грамота. – 2013. – № 9 (76). – С. 113–115.
19. Минакова Т. Е., Минаков В. Ф. Блочная структура средств релейной защиты и автоматики // Альманах современной науки и образования. Тамбов: Грамота. – 2013. – № 10 (77). – С. 114–116.
20. Минакова Т. Е., Минаков В. Ф. Открытая архитектура релейной защиты и автоматики // Международный научно-исследовательский журнал = Research Journal of International Studies. – 2013. – № 12-1 (19). – С. 110-111.

References

1. Platonov V. V. Analiz strategii razvitija jelektrojenergetiki Rossii. – Novocherkassk: JuRGTU (NPI). – 2005. – 48 s.
2. Minakov V. F. Relejnaja zashhita turbogeneratora s chastotno–tiristornym puskom: Avtoref. diss. ... kand. tehn. nauk. – Novocherkassk. – 1985. – 16 s.
3. Minakov V. F., Kuzhekov S. L., Negrimovskij P. Ja. Relejnaja zashhita jelektricheskih mashin s tiristornymi razgonnymi ustrojstvami // Izvestija vysshih uchebnyh zavedenij. Jelektromehanika. – 1984. – № 11. – S. 127.
4. Minakov V. F., Minakova T. E. Issledovanie dinamiki proizvodstva jelektrojenergii regiona // Vestnik Severo-Kavkazskogo federal'nogo universiteta. – 2005. – № 4. – S. 74–77.
5. D'jakov A. F., Platonov V. V. Edinaja jelektrojenergeticheskaja sistema Rossii v period rynochnyh preobrazovanij: ucheb. posobie. – M.: Izd. MJeI. – 2003. – 150 s.
6. D'jakov A. F., Platonov V. V. O problemah vysshego jenergeticheskogo i jelektrotehnicheskogo obrazovanija v Rossii // Jelektrichestvo. – 2011. – № 12. – S. 2-11.
7. Minakov V. F., Red'kin V. M., Os'kina G. M., Minakova T. E. Matematicheskoe modelirovanie puskovyh rezhimov trehfaznyh asinhronnyh dvigatelej // Vestnik Severo-Kavkazskogo federal'nogo universiteta. – 2003. – № 1. – S. 226-234.
8. Minakov V. F.,, Red'kin V. M., Minakova T. E., Churkin D. G. Metodika tipizacii parametrov dvigatelej serii 4 A // Izvestija vysshih uchebnyh zavedenij. Jelektromehanika. – 1993. – № 6. – S. 77.
9. Minakova T. E., Minakov V. F. Modelirovanie iznosa izoljacii trehfaznyh asinhronnyh jelektrodvigatelej 0,4 kV // Izvestija vysshih uchebnyh zavedenij. Jelektromehanika. – 2014. – № 3. – S. 94-95.
10. Minakova T. E., Minakov V. F. Obobshhennaja model' iznosa jelektrodvigatelej // Mezhdunarodnyj nauchno-issledovatel'skij zhurnal = Research Journal of International Studies. – 2013. – № 12-1 (19). – S. 108-110.
11. Minakova T. E., Minakov V. F. Sinergija jenergosberezhenija pri vysokoj dobavlennoj stoimosti produkcii // Sovremennye problemy nauki i obrazovanija. – 2013. – № 4. – S. 26.
12. D'jakov A. F., Platonov V. V. Zanizhenie tarifov na jelektrojenergiju - populistskoe nasilie, razrushajushhee jekonomiku Rossii // Jenergetik. – 2002. – № 6. – S. 2-7.
13. Minakov V. F., Minakova T. E. Sposob zashhity dvigatelej ot nesostojavshihsja puskov // Mezhdunarodnyj nauchno-issledovatel'skij zhurnal = Research Journal of International Studies. – 2013. – № 12-1 (19). – S. 106-107.
14. Minakov V. F., Minakova T. E. Sposob kontrolja simmetrii trehfaznogo naprjazhenija // Mezhdunarodnyj nauchno-issledovatel'skij zhurnal = Research Journal of International Studies. – 2014. – № 3-2 (22). – S. 39-40.
15. Minakova T. E., Minakov V. F. Parallel'naja rabota kabel'noj i vozdushnoj linij jelektroperedachi // Mezhdunarodnyj nauchno-issledovatel'skij zhurnal = Research Journal of International Studies. – 2013. – № 11-1 (18). – S. 113-114.
16. Minakova T. E., Minakov V. F. Integracija sredstv zashhity jelektrodvigatelej sel'skohozjajstvennogo proizvodstva // Nauchnoe obozrenie. – 2013. – № 10. – S. 172-176.
17. Minakova T. E., Minakov V. F. Blochnaja struktura sredstv relejnoj zashhity i avtomatiki // Al'manah sovremennoj nauki i obrazovanija. Tambov: Gramota. – 2013. – № 10 (77). – S. 114–116.
18. Minakov V. F., Minakova T. E. Sposob bystrodejstvujushhej zashhity jelektrodvigatelej ot nesostojavshihsja puskov // Al'manah sovremennoj nauki i obrazovanija. Tambov: Gramota. – 2013. – № 9 (76). – S. 113–115.
19. Minakova T. E., Minakov V. F. Blochnaja struktura sredstv relejnoj zashhity i avtomatiki // Al'manah sovremennoj nauki i obrazovanija. Tambov: Gramota. – 2013. – № 10 (77). – S. 114–116.
20. Minakova T. E., Minakov V. F. Otkrytaja arhitektura relejnoj zashhity i avtomatiki // Mezhdunarodnyj nauchno-issledovatel'skij zhurnal = Research Journal of International Studies. – 2013. – № 12-1 (19). – S. 110-111.