книги из ГПНТБ / Голоднов Ю.М. Самозапуск электродвигателей

При выводе уравнения (2-17) принималось, что изме­

нение угловой скорости при выбеге может быть выраже-

Г

но согласно (2-7а), т. е. ш = е 5 , причем, как видно из

мени ускорения в пределах ±10% также не приводит к существенной погрешности при

расчете величины э. д. с. двигателя (рис. 2-10). Расчетное определение фазы э. д. с. двигателя отно­

сительно напряжения сети по (2-23) обеспечивает до­ статочно точный результат только в течение нескольких (до 10—20) периодов, так как даже небольшая ошибка в расчетном определении угловой скорости, накаплива­ ясь, создает значительную ошибку в определении угла поворота.

31

2-3. ГРУППОВОЙ ВЫБЕГ И ВЫБЕГ ПРИ ПОДПИТКЕ КОРОТКОГО ЗАМЫ КАНИЯ

Г р у п п о в о й в ы б е г происходит при одновремен­ ном отключении нескольких двигателей, питающихся от одной и той же подстанции или источника питания про­ мышленного предприятия. При групповом выбеге во вре­ мя нарушения электроснабжения электродвигатели элек­ трически связаны друг с другом через общие шины, от­ ключенные от сети. Двигатели, имеющие больший запас кинетической энергии, переходят в генераторный режим работы и имеют дополнительный тормозной момент по сравнению со свободным выбегом. Двигатели с меньшим запасом кинетической энергии получают дополнительный двигательный момент (за счет подпитки от первой груп­ пы машин). На общих шинах имеется напряжение, вели­ чина и частота которого уменьшаются по мере уменьше­ ния скорости вращения двигателей. В пределах условий, обеспечивающих необходимую устойчивость, выбег всех агрегатов в первое время происходит по одному закону с общим значением величины тд Практика показывает, что устойчивость при групповом выбеге обеспечивается достаточно долго, если сопротивление сети, соединяющей двигатели, невелико (нет реакторов и трансформаторов). С уменьшением напряжения синхронный выбег наруша­ ется и при напряжении примерно 0,25Un полностью пре­ кращается и дальше идет как индивидуальный для каж­ дого двигателя.

Может быть несколько вариантов группового выбега. Наиболее простой из них — выбег одинаковых двигате­ лей с одинаковыми агрегатами. В частности, такой слу­ чай имеет место при отключении секции подстанции на­ сосной или компрессорной станции с однотипными агре­ гатами. Здесь групповой выбег происходит так же, как и при индивидуальном выбеге каждого агрегата.

Несколько сложнее групповой выбег агрегатов с оди­ наковым характером механических характеристик (на­ пример, все механизмы со статическим моментом, не за­ висящим от угловой скорости, или момент сопротивле­ ния всех механизмов пропорционален квадрату скорое, сти), но различных по мощности, нагрузке и моменту инерции. В этом случае вид уравнения выбега не изме­ нится по сравнению с одиночным выбегом, но изменится величина тд которая станет одинаковой для всех агре­

32

гатов. В соответствии с формулой (2-3), выразив все величины в указанной к формуле размерности, для экви­ валентного значения величины времени ускорения груп­ пы механизмов получим:

f=i

где п — общее количество агрегатов.

Если группа состоит из механизмов с различными механическими характеристиками, но преобладают (по установленной мощности) механизмы с каким-то одним видом ее (например, с вентиляторным моментом), то для определения угловой скорости при групповом выбе­ ге можно воспользоваться уравнением выбега для дан­ ной, преобладающей части, например (2 -8 ), определив время ускорения по (2-24).

Если механизмы с различным характером зависимо­ сти момента сопротивления от скорости представлены в равной мере, целесообразно принять уравнение выбе­ га в среднем виде, например по (2-7).

Процесс группового выбега зависит не только от типа двигателей и приводимых механизмов, но и от параме­ тров сети. Например, если имеются линейные реакторы, то продолжительность выбега по общей характеристике резко сокращается. Выбег отдельных двигателей или групп, подключенных к различным секциям шин под­ станций, отделенных друг от друга реакторами (особен­ но при сдвоенных реакторах), трансформаторами соиз­ меримой мощности или длинными линиями с большой индуктивностью, может рассматриваться самостоятель­ но, вне связи одной группы с другой.

При наличии только асинхронных или невозбужден­ ных синхронных двигателей их взаимное влияние неве­ лико, сказывается только в первый момент, и его можно ■не учитывать, считая выбег индивидуальным.

Определение э. д. с. при групповом выбеге в общем случае чрезвычайно сложно. Возможны приближенные решения для различных частных случаев.

При наличии только асинхронных и невозбуждённых синхронных двигателей э. д. с. снижается довольно' бы-

стро, и для этого случая справедливы все положения, изложенные в § 2 -2 ,А.

Обмотка статора возбужденного синхронного двига­ теля при групповом выбеге остается замкнутой через об­ мотки других двигателей, а также трансформаторов. При отключении группы ток в статоре не исчезает мгновенно, как при отключении от сети одного двигателя, и, следо­ вательно, величина свободной составляющей тока ротора может быть меньше, чем ойределяемая по (2-10). Кроме того, эта составляющая будет затухать с постоянной времени, меньшей т^о (но большей t'd). В связи с этим при групповом выбеге можно пренебречь свободной со­ ставляющей тока ротора синхронных двигателей и счи­ тать if— ijv вместо определения его по формуле (2 -1 1 ). Получаемая погрешность будет .обеспечивать некоторый запас. Выбег всех двигателей группы с учетом замеча­ ний, изложенных выше, будет происходить по общей

дит в общем случае по более крутой характеристике, чем свободный, за счет тормозных моментов, возникающих при переходе двигателя в генераторный режим.

Для асинхронного двигателя, как и при расчете токов к. з. (Л. 29], генераторный эффект сказывается только в сверхпереходном режиме и на процессе выбега влия­ ния практически не оказывает. (Это влияние сказывает­ ся при Tjjg;0,5 с.)

Точные выражения тормозных моментов, возникаю­ щих при к. з. генераторов, достаточно сложны ]Л. 22, 30]. Практически пользуются приближенными выражениями, полученными в предположении отсутствия потерь в ро­ торе и статоре [Л. 22]. Например, для трехфазного к. з. синхронного генератора

где Е — э. д. с. на зажимах генератора до'к. з. (предпо­ лагается, что статор был отключен от сети), а за едини­ цу времени принята 1/314 с (время поворота синхронно­ го вектора на 1 рад при номинальной частоте 50 Гц).

При торможении синхронного двигателя при к. з. сле­ дует учитывать следующие особенности по сравнению со случаем к. з. генератора:

34

1. В первый момент времени появляется свободная составляющая тока возбуждения [Л. 14]

Xd ХГд г j

Дif irf

которая сравнительно ^быстро затухает, после чего ток возбуждения приближается к значению, определяемому возбудителем, аналогично тому, как это происходит при отключении двигателя (по уравнению (2 -1 1 )].

2.Под влиянием снижения частоты вращения воз­ будителя уменьшаются э. д. с. возбудителя и ток воз­ буждения.

3.Под влиянием снижения частоты вращения двига­ теля и изменения тока возбуждения меняется э. д. с. синхронного двигателя.

4.С уменьшением частоты вращения изменяется мас­ штаб времени, так как синхронный вектор будет повора­

ни ускорения агрегата. Момент сопротивления агрегата не зависит от угловой скорости.

Из этих кривых видно, что разница в угловой скоро­ сти через 1 с после начала выбега при наличии к. з. по сравнению с отключением составляет при тг3= 1 0 с ме-

нее 0,01 юн, при т, = 2,5с— 0,04 юи и только при т ,= 1 с становится существенной. Аналогичные результаты по­ лучаются и для других машин.

Следовательно, дополнительные тормозные моменты

с синхронными двигателями встречается редко. Кроме того, если между двигателем и точкой к. з. есть реактор, трансформатор соизмеримой мощности или достаточно длинная линия с малым активным сопротивлением, то тормозной момент от генераторного эффекта резко па­ дает и может не приниматься во внимание.

Г л а в а т р е т ь я

ТОК ВКЛЮЧЕНИЯ ПРИ САМОЗАПУСКЕ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ

3-1. ДОПУСТИМЫЙ ТОК ВКЛЮЧЕНИЯ

Из формулы (1-1) и рис. 2-8 видно, что в момент восстановления напряжения ток включения может зна­ чительно превысить пусковой.

Все асинхронные двигатели рассчитаны на режим, возникающий при быстром отключении близкого к. з. релейной защитой. Бросок тока при таком режиме может превышать величину пускового тока и мало отличается от тока включения при самозапуске I", который в худ­ шем случае, когда векторы напряжения сети UGи э. д. с. двигателя Ея находятся в противофазе, согласно (1-1) получается равным:

Так как величина Ея для асинхронного двигателя невелика (см. § 2 -2 ,А), то ток I" ненамного превышает пусковой.

Асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором, выпускаемые электропромышленностью СССР, допуска­ ют включение в режиме самозапуска. При этом расчет тока включения не требуется.

36

Асинхронные двигатели с фазным ротором допускают самозапуск без проверки тока включения, если перед восстановлением напряжения вводится пусковое сопро­ тивление. Если же обмотка ротора остается закорочен­ ной, вопрос о допустимости самозапуска подлежит со­ гласованию с заводом-изготовителем. В большинстве случаев при этом требуется дополнительное крепление обмоток в лобовых частях.

В синхронном двигателе э. д. с. в момент восстанов­ ления электроснабжения может быть равна напряжению сети и даже превышать его.

Ток включения при малом сопротивлении сети может более чем в 2 раза превышать пусковой и вызвать по­ вреждения в двигателе.

Как показали исследования и опыт эксплуатации, наиболее опасным узлом в момент включения является обмотка статора синхронного двигателя {Л. 30].

При пуске двигателя относительная величина дефор­

риментов, выполненных Всесоюзным научно-исследова­ тельским институтом электроэнергетики (ВНИИЭ), уста­ новлено, что для синхронных двигателей мощностью до 2 000 кВт при относительных деформациях до 150Х ХЮ- 5 отн. ед. {Л. 14] не происходит нарушения изоля­ ции, если такие деформации не слишком многочисленны. Так как деформации и усилия примерно пропорциональ­ ны квадрату тока [Л. 13], то предельно допустимое зна­

чение тока включения составит У 3 от его пускового значения [Л. 18].

Вращающий момент, развиваемый двигателем при включении (в сверхпереходном режиме), не должен вы­ звать механических повреждений вала и других конст­ руктивных элементов.

Учитывая накопленный промышленностью опыт экс­ плуатации синхронных двигателей при быстрых отклю­ чениях к. з., а также запасы прочности двигателей об­ щего назначения мощностью до 2 000 кВт, за предельно допустимые можно считать моменты, превышающие мо­ менты к. з. в 1,5 раза.

Наибольший начальный момент при несинхронном включении возникает в том случае, когда угол между векторами напряжения сети и остаточной э. д. с. двига­ теля составляет 105—135°. Тогда при £д>0,5 макси­

37

мальный момент двигателя составит [Л. 14]:

щей тока статора по продольной оси, рад; та— постоян­ ная времени апериодического свободного тока статора, рад; х"а и x'd — сверхпереходное и переходное индуктив­ ные сопротивления машины по продольной оси; £ д.пр— приведенная э. д. с. двигателя (§ 3-2).

Анализ (3-2) показывает, что значения моментов, превышающие момент к. з. в 1,5 раза, получаются при­ мерно при тех лее значениях э. д. с. двигателя, при кото­ рых сверхпереходный ток в худшем случае [см. формулу (3-1)] равен 1,7 от пускового.

Отклонение угла б между векторами напряжения се­ ти и остаточной э. д. с. двигателя на 15° от наиболее неблагоприятного положения (105—135° по условию мо­ мента двигателя и примерно 180° по условию деформа­ ции изоляции обмотки) приводит к снижению началь­ ного момента и тока на 30%.

Учитывая изложенное, а также сравнительно редкую необходимость осуществления самозапуска и малую ве­ роятность того, что векторы напряжения сети и э. д. с. двигателя в момент включения окажутся в противофазе, можно для всех синхронных двигателей мощностью до 2 000 кВт считать самозапуск допустимым, если в самом

38

неблагоприятном случае ток включения не будет превы­ шать 1,7 от пускового [Л. 18]:

Под неблагоприятным случаем понимается наихуд­ шее взаимное расположение векторов напряжения ( 6 = = 180°), максимальный режим системы (наибольшая мощность источников питания и наименьшее суммарное сопротивление сети), минимальное число подключенных электроприемников.

Для более мощных синхронных двигателей вопрос о допустимом токе включения и о возможности самозапуска с глухоподключенным возбудителем должен ре­ шаться совместно с заводом-изготовителем.

Если применяется схема ресинхронизации с введени­ ем в цепь ротора разрядного сопротивления или гаше­ ние поля введением сопротивления в цепь возбуждения возбудителя, расчета тока включения не требуется, так как э. д. с. двигателя при выбеге быстро снижается (ана­ логично случаю асинхронного двигателя).

Не требуется расчета тока включения при самозапуске, происходящем после глубокого понижения напря­ жения, вызванного близким к. з., которое отключаетсясоответствующей релейной защитой.

Самозапуск мощных синхронных и асинхронных дви­ гателей, пускаемых через реактор или трансформатор, осуществляется также с включением этих элементов, при­ чем для синхронных двигателей — с гашением поля. В этих случаях ток включения находится в пределах до­ пустимого.

3-2. ТОК ВКЛЮЧЕНИЯ ПРИ ОД И Н О ЧН О М САМ О ЗА П УСК Е СИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Величина и положение вектора э. д. с. двигателя от­ носительно вектора напряжения сети в момент восста­ новления питания определяют значение тока включения. Пренебрегая влиянием активного сопротивления, форму­ лу (1-1 ) можно написать в виде

39