Тиристорныепреобразователи частоты: назначение, типы, структурная схема.
Коротко очастотно-регулируемом приводе
Введение
/>
Современный частотно регулируемый электропривод состоит из асинхронногоили синхронного электрического двигателя и преобразователя частоты (см.рис.1.).
Электрический двигатель преобразует электрическую энергию вмеханическую энергию и приводит в движение исполнительный органтехнологического механизма.
Преобразователь частоты управляет электрическим двигателем и представляетсобой электронное статическое устройство. На выходе преобразователя формируетсяэлектрическое напряжение с переменными амплитудой и частотой.
Название «частотно регулируемый электропривод» обусловлено тем, чторегулирование скорости вращения двигателя осуществляется изменением частотынапряжения питания, подаваемого на двигатель от преобразователя частоты.
На протяжении последних 10 –15 лет в мире наблюдается широкое иуспешное внедрение частотно регулируемого электропривода для решения различных технологическихзадач во многие отрасли экономики. Это объясняется в первую очередь разработкойи созданием преобразователей частоты на принципиально новой элементной базе,главным образом на биполярных транзисторах с изолированным затвором IGBT.
В настоящей статье коротко описаны известные сегодня типыпреобразователей частоты, применяемые в частотно регулируемом электроприводе,реализованные в них методы управления, их особенности и характеристики.
При дальнейших рассуждениях будем говорить о трехфазном частотнорегулируемом электроприводе, так как он имеет наибольшее промышленноеприменение.
О методах управления
В синхронном электрическом двигателе частота вращения ротора />вустановившемся режиме равна частоте вращения магнитного поля статора />
В асинхронномэлектрическом двигателе частота вращения ротора />в установившемся режиме отличаетсяот частоты вращения />на величину скольжения />.
Частотавращения магнитного поля /> зависит от частоты напряженияпитания. При питании обмотки статора электрического двигателя трехфазнымнапряжением с частотой /> создается вращающеесямагнитное поле. Скорость вращения этого поля определяется по известной формуле
/>= />,
где /> – число парполюсов статора.
Переходот скорости вращения поля />, измеряемой в радианах, к частотевращения />,выраженной в оборотах в минуту, осуществляется по следующей формуле
/>= />,
где 60 –коэффициент пересчета размерности.
Подставив вэто уравнение скорость вращения поля, />получим, что
/>= />.
Такимобразом, частота вращения ротора синхронного и асинхронного двигателей зависитот частоты напряжения питания.
На этойзависимости и основан метод частотного регулирования.
Изменяяс помощью преобразователя частоту /> на входе двигателя, мы регулируемчастоту вращения ротора.
Внаиболее распространенном частотно регулируемом приводе на основе асинхронных двигателейс короткозамкнутым ротором применяются скалярное и векторное частотноеуправление.
Прискалярном управлении по определенному закону изменяют амплитуду и частотуприложенного к двигателю напряжения. Изменение частоты питающего напряженияприводит к отклонению от расчетных значений максимального и пускового моментовдвигателя, к.п.д., коэффициента мощности. Поэтому для поддержания требуемыхрабочих характеристик двигателя необходимо с изменением частоты одновременносоответственно изменять и амплитуду напряжения.
Всуществующих преобразователях частоты при скалярном управлении чаще всего поддерживаетсяпостоянным отношение максимального момента двигателя к моменту сопротивления навалу. То есть при изменении частоты амплитуда напряжения изменяется такимобразом, что отношение максимального момента двигателя к текущему моментунагрузки остается неизменным. Это отношение называется перегрузочнаяспособность двигателя.
Припостоянстве перегрузочной способности номинальные коэффициент мощности и к.п.д.двигателя на всем диапазоне регулирования частоты вращения практически неизменяются.
Максимальныймомент, развиваемый двигателем, определяется следующей зависимостью
/> />= />,
где /> - постоянныйкоэффициент.
Поэтомузависимость напряжения питания от частоты определяется характером нагрузки навалу электрического двигателя.
Дляпостоянного момента нагрузки поддерживается отношение U/f = const, и, посути, обеспечивается постоянство максимального момента двигателя. Характерзависимости напряжения питания от частоты для случая с постоянным моментомнагрузки изображен на рис. 2. Угол наклона прямой на графике зависит от величинмомента сопротивления и максимального крутящего момента двигателя.
Вместес тем на малых частотах, начиная с некоторого значения частоты, максимальныймомент двигателя начинает падать. Для компенсации этого и для увеличенияпускового момента используется повышение уровня напряжения питания.
/>
Вслучае вентиляторной нагрузки реализуется зависимость U/f2 = const. Характер зависимости напряжения питания от частоты для этогослучая показан на рис.3. При регулировании в области малых частот максимальныймомент также уменьшается, но для данного типа нагрузки это некритично.
Используязависимость максимального крутящего момента от напряжения и частоты, можнопостроить график U от f для любого типа нагрузки.
Важнымдостоинством скалярного метода является возможность одновременного управлениягруппой электродвигателей.
Скалярноеуправление достаточно для большинства практических случаев применения частотнорегулируемого электропривода с диапазоном регулирования частоты вращениядвигателя до 1:40.
Векторноеуправление позволяет существенно увеличить диапазон управления, точностьрегулирования, повысить быстродействие электропривода. Этот метод обеспечиваетнепосредственное управление вращающим моментом двигателя.
Вращающиймомент определяется током статора, который создает возбуждающее магнитное поле.При непосредственном управлении моментом необходимо изменять кроме амплитуды ифазу статорного тока, то есть вектор тока. Этим и обусловлен термин «векторноеуправление».
Дляуправления вектором тока, а, следовательно, положением магнитного потокастатора относительно вращающегося ротора требуется знать точное положениеротора в любой момент времени. Задача решается либо с помощью выносного датчикаположения ротора, либо определением положения ротора путем вычислений по другимпараметрам двигателя. В качестве этих параметров используются токи и напряжениястаторных обмоток.
Менеедорогим является частотно регулируемый электропривод с векторным управлениембез датчика обратной связи скорости, однако векторное управление при этомтребует большого объема и высокой скорости вычислений от преобразователячастоты.
Крометого, для непосредственного управления моментом при малых, близких к нулевымскоростям вращения работа частотно регулируемого электропривода без обратнойсвязи по скорости невозможна.
Векторноеуправление с датчиком обратной связи скорости обеспечивает диапазонрегулирования до 1:1000 и выше, точность регулирования по скорости – сотые долипроцента, точность по моменту – единицы процентов.
Всинхронном частотно регулируемом приводе применяются те же методы управления,что и в асинхронном.
Однаков чистом виде частотное регулирование частоты вращения синхронных двигателейприменяется только при малых мощностях, когда нагрузочные моменты невелики, имала инерция приводного механизма. При больших мощностях этим условиямполностью отвечает лишь привод с вентиляторной нагрузкой. В случаях с другимитипами нагрузки двигатель может выпасть из синхронизма.
Длясинхронных электроприводов большой мощности применяется метод частотногоуправления с самосинхронизацией, который исключает выпадение двигателя изсинхронизма. Особенность метода состоит в том, что управление преобразователемчастоты осуществляется в строгом соответствии с положением ротора двигателя.
О преобразователях частоты
Преобразовательчастоты – это устройство, предназначенное для преобразования переменного тока(напряжения) одной частоты в переменный ток (напряжение) другой частоты.
Выходнаячастота в современных преобразователях может изменяться в широком диапазоне ибыть как выше, так и ниже частоты питающей сети.
Схема любогопреобразователя частоты состоит из силовой и управляющей частей. Силовая частьпреобразователей обычно выполнена на тиристорах или транзисторах, которыеработают в режиме электронных ключей. Управляющая часть выполняется на цифровыхмикропроцессорах и обеспечивает управление силовыми электронными ключами, атакже решение большого количества вспомогательных задач (контроль, диагностика,защита).
Преобразователичастоты, применяемые в регулируемом электроприводе, в зависимости от структурыи принципа работы силовой части разделяются на два класса:
1. Преобразователичастоты с явно выраженным промежуточным звеном постоянного тока.
2. Преобразователичастоты с непосредственной связью (без промежуточного звена постоянного тока).
Каждый изсуществующих классов преобразователей имеет свои достоинства и недостатки,которые определяют область рационального применения каждого из них.
/>
Историческипервыми появились преобразователи с непосредственной связью (рис. 4.), вкоторых силовая часть представляет собой управляемый выпрямитель и выполнена нане запираемых тиристорах. Система управления поочередно отпирает группытиристотров и подключает статорные обмотки двигателя к питающей сети.
/>
Такимобразом, выходное напряжение преобразователя формируется из «вырезанных»участков синусоид входного напряжения. На рис.5. показан пример формированиявыходного напряжения для одной из фаз нагрузки. На входе преобразователядействует трехфазное синусоидальное напряжение uа, uв, uс. Выходное напряжение uвых имеет несинусоидальную«пилообразную» форму, которую условно можно аппроксимировать синусоидой(утолщенная линия). Из рисунка видно, что частота выходного напряжения не можетбыть равна или выше частоты питающей сети. Она находится в диапазоне от 0 до 30Гц. Как следствие малый диапазон управления частоты вращения двигателя (неболее 1: 10). Это ограничение не позволяет применять такие преобразователи всовременных частотно регулируемых приводах с широким диапазоном регулированиятехнологических параметров.
Использованиене запираемых тиристоров требует относительно сложных систем управления,которые увеличивают стоимость преобразователя.
«Резаная»синусоида на выходе преобразователя является источником высших гармоник,которые вызывают дополнительные потери в электрическом двигателе, перегревэлектрической машины, снижение момента, очень сильные помехи в питающей сети.Применение компенсирующих устройств приводит к повышению стоимости, массы,габаритов, понижению к.п.д. системы в целом.
Наряду сперечисленными недостатками преобразователей с непосредственной связью, ониимеют определенные достоинства. К ним относятся:
— практическисамый высокий КПД относительно других преобразователей (98,5% и выше),
— способностьработать с большими напряжениями и токами, что делает возможным ихиспользование в мощных высоковольтных приводах,
— относительнаядешевизна, несмотря на увеличение абсолютной стоимости за счет схем управленияи дополнительного оборудования.
Подобныесхемы преобразователей используются в старых приводах и новые конструкции ихпрактически не разрабатываются.
/>
Наиболее широкое применение в современныхчастотно регулируемых приводах находят преобразователи с явно выраженным звеномпостоянного тока (рис. 6.).
В преобразователях этого класса используетсядвойное преобразование электрической энергии: входное синусоидальное напряжениес постоянной амплитудой и частотой выпрямляется в выпрямителе (В), фильтруетсяфильтром (Ф), сглаживается, а затем вновь преобразуется инвертором (И) впеременное напряжение изменяемой частоты и амплитуды. Двойное преобразованиеэнергии приводит к снижению к.п.д. и к некоторому ухудшению массогабаритныхпоказателей по отношению к преобразователям с непосредственной связью.
Для формирования синусоидального переменногонапряжения используются автономные инверторы напряжения и автономные инверторытока.
В качествеэлектронных ключей в инверторах применяются запираемые тиристоры GTO и их усовершенствованныемодификации GCT, IGCT, SGCT, и биполярные транзисторы с изолированным затвором IGBT.
Главнымдостоинством тиристорных преобразователей частоты, как и в схеме снепосредственной связью, является способность работать с большими токами инапряжениями, выдерживая при этом продолжительную нагрузку и импульсныевоздействия.
Они имеютболее высокий КПД (до 98%) по отношению к преобразователям на IGBT транзисторах (95 – 98%).
Преобразователичастоты на тиристорах в настоящее время занимают доминирующее положение ввысоковольтном приводе в диапазоне мощностей от сотен киловатт и до десятковмегаватт с выходным напряжением 3 — 10 кВ и выше. Однако их цена на один кВтвыходной мощности самая большая в классе высоковольтных преобразователей.
До недавнегопрошлого преобразователи частоты на GTO составляли основную долю и в низковольтномчастотно регулируемом приводе. Но с появлением IGBT транзисторов произошел«естественный отбор» и сегодня преобразователи на их базе общепризнанные лидерыв области низковольтного частотно регулируемого привода.
Тиристорявляется полууправляемым приборам: для его включения достаточно подать короткийимпульс на управляющий вывод, но для выключения необходимо либо приложить кнему обратное напряжение, либо снизить коммутируемый ток до нуля. Для этого втиристорном преобразователе частоты требуется сложная и громоздкая системауправления.
Биполярныетранзисторы с изолированным затвором IGBT отличают от тиристоров полная управляемость, простаянеэнергоемкая система управления, самая высокая рабочая частота
Вследствиеэтого преобразователи частоты на IGBT позволяют расширить диапазон управления скоростивращения двигателя, повысить быстродействие привода в целом.
Для асинхронногоэлектропривода с векторным управлением преобразователи на IGBT позволяют работать нанизких скоростях без датчика обратной связи.
Применение IGBT с более высокой частотойпереключения в совокупности с микропроцессорной системой управления впреобразователях частоты снижает уровень высших гармоник, характерных длятиристорных преобразователей. Как следствие меньшие добавочные потери вобмотках и магнитопроводе электродвигателя, уменьшение нагрева электрическоймашины, снижение пульсаций момента и исключение так называемого «шагания»ротора в области малых частот. Снижаются потери в трансформаторах,конденсаторных батареях, увеличивается их срок службы и изоляции проводов, уменьшаютсяколичество ложных срабатываний устройств защиты и погрешности индукционныхизмерительных приборов.
Преобразователина транзисторах IGBT по сравнению с тиристорными преобразователями при одинаковойвыходной мощности отличаются меньшими габаритами, массой, повышеннойнадежностью в силу модульного исполнения электронных ключей, лучшеготеплоотвода с поверхности модуля и меньшего количества конструктивныхэлементов.
Они позволяютреализовать более полную защиту от бросков тока и от перенапряжения, чтосущественно снижает вероятность отказов и повреждений электропривода.
На настоящиймомент низковольтные преобразователи на IGBT имеют более высокую ценуна единицу выходной мощности, вследствие относительной сложности производства транзисторныхмодулей. Однако по соотношению цена/качество, исходя из перечисленныхдостоинств, они явно выигрывают у тиристорных преобразователей, кроме того, напротяжении последних лет наблюдается неуклонное снижение цен на IGBT модули.
Главнымпрепятствием на пути их использования в высоковольтном приводе с прямымпреобразованием частоты и при мощностях выше 1 – 2 МВт на настоящий моментявляются технологические ограничения. Увеличение коммутируемого напряжения ирабочего тока приводит к увеличению размеров транзисторного модуля, а также требуетболее эффективного отвода тепла от кремниевого кристалла.
Новыетехнологии производства биполярных транзисторов направлены на преодоление этихограничений, и перспективность применения IGBT очень высока также и ввысоковольтном приводе. В настоящее время IGBT транзисторы применяютсяв высоковольтных преобразователях в виде последовательно соединенных несколькихединичных модулей.Структура и принцип работы низковольтного преобразователя частоты на IGBT транзисторах
Типовая схеманизковольтного преобразователя частоты представлена на рис. 7. В нижней частирисунка изображены графики напряжений и токов на выходе каждого элементапреобразователя.
Переменноенапряжение питающей сети (uвх.) с постоянной амплитудой и частотой (Uвх = const, fвх = const)поступает на управляемый или неуправляемый выпрямитель (1).
Длясглаживания пульсаций выпрямленного напряжения (uвыпр.) используется фильтр (2).Выпрямитель и емкостный фильтр (2) образуют звено постоянного тока.
С выходафильтра постоянное напряжение udпоступает на входавтономного импульсного инвертора (3).
Автономныйинвертор современных низковольтных преобразователей, как было отмечено,выполняется на основе силовых биполярных транзисторов с изолированным затвором IGBT. На рассматриваемом рисункеизображена схема преобразователя частоты с автономным инвертором напряжения какполучившая наибольшее распространение.
/>
В инверторе осуществляется преобразование постоянногонапряжения udв трехфазное (или однофазное) импульсноенапряжение uи изменяемой амплитуды и частоты. По сигналам системы управлениякаждая обмотка электрического двигателя подсоединяется через соответствующиесиловые транзисторы инвертора к положительному и отрицательному полюсам звенапостоянного тока. Длительность подключения каждой обмотки в пределах периодаследования импульсов модулируется по синусоидальному закону. Наибольшая ширинаимпульсов обеспечивается в середине полупериода, а к началу и концу полупериодауменьшается. Таким образом, система управления обеспечивает широтно-импульснуюмодуляцию (ШИМ) напряжения, прикладываемого к обмоткам двигателя. Амплитуда ичастота напряжения определяются параметрами модулирующей синусоидальнойфункции.
При высокой несущей частоте ШИМ (2 … 15 кГц) обмоткидвигателя вследствие их высокой индуктивности работают как фильтр. Поэтому вних протекают практически синусоидальные токи.
В схемахпреобразователей с управляемым выпрямителем (1) изменение амплитуды напряжения uи может достигатьсярегулированием величины постоянного напряжения ud, а изменение частоты –режимом работы инвертора.
Принеобходимости на выходе автономного инвертора устанавливается фильтр (4) длясглаживания пульсаций тока. (В схемах преобразователей на IGBT в силунизкого уровня высших гармоник в выходном напряжении потребность в фильтрепрактически отсутствует.)
Таким образом,на выходе преобразователя частоты формируется трехфазное (или однофазное)переменное напряжение изменяемой частоты и амплитуды (Uвых = var, fвых = var).
Типовые схемы высоковольтных преобразователей частоты
Впоследние годы многие фирмы большое внимание, которое диктуется потребностямирынка, уделяют разработке и созданию высоковольтных частотных преобразователей.Требуемая величина выходного напряжения преобразователя частоты длявысоковольтного электропривода достигает 10 кВ и выше при мощности до несколькихдесятков мегаватт.
Длятаких напряжений и мощностей при прямом преобразовании частоты применяютсявесьма дорогие тиристорные силовые электронные ключи со сложными схемамиуправления. Подключение преобразователя к сети осуществляется либо через входнойтокоограничивающий реактор, либо через согласующий трансформатор.
Предельныенапряжение и ток единичного электронного ключа ограничены, поэтому применяютспециальные схемные решения для повышения выходного напряжения преобразователя.Кроме того, это позволяет уменьшить общую стоимость высоковольтныхпреобразователей частоты за счет использования низковольтных электронныхключей.
Впреобразователях частоты различных фирм производителей используются следующиесхемные решения.
1.Двухтрансформаторная схема высоковольтного преобразователя частоты
Всхеме преобразователя (рис. 8.) осуществляется двойная трансформация напряженияс помощью понижающего (Т1) и повышающего (Т2) высоковольтных трансформаторов.
Двойнаятрансформация позволяет использовать для регулирования частоты относительнодешевый низковольтный преобразователь частоты, структура которого представленана рис. 7.
Преобразователиотличают относительная дешевизна и простота практической реализации. Вследствиеэтого они наиболее часто применяются для управления высоковольтнымиэлектродвигателями в диапазоне мощностей до 1 – 1,5 МВт. При большей мощностиэлектропривода трансформатор Т2 вносит существенные искажения в процессуправления электродвигателем. Основными недостатками двухтрансформаторных преобразователейявляются высокие массогабаритные характеристики, меньшие по отношению к другимсхемам КПД (93 – 96%) и надежность.
/>
Преобразователи,выполненные по этой схеме, имеют ограниченный диапазон регулирования частотывращения двигателя как сверху, так и снизу от номинальной частоты.
Приснижении частоты на выходе преобразователя увеличивается насыщение сердечника инарушается расчетный режим работы выходного трансформатора Т2. Поэтому, какпоказывает практика, диапазон регулирования ограничен в пределах nном>n>0,5nном. Для расширениядиапазона регулирования используют трансформаторы с увеличенным сечениеммагнитопровода, но это увеличивает стоимость, массу и габариты.
Приувеличении выходной частоты растут потери в сердечнике трансформатора Т2 наперемагничивание и вихревые токи.
Вприводах мощностью более 1 МВт и напряжении низковольтной части 0,4 – 0,6 кВсечение кабеля между преобразователем частоты и низковольтной обмоткой трансформаторовдолжно быть рассчитано на токи до килоампер, что увеличивает массупреобразователя.
2.Схема преобразователя с последовательным включением электронных ключей
/>
Дляповышения рабочего напряжения преобразователя частоты электронные ключисоединяют последовательно (см. рис.9.).
Числоэлементов в каждом плече определяется величиной рабочего напряжения и типомэлемента.
Основнаяпроблема для этой схемы состоит в строгом согласовании работы электронныхключей.
Полупроводниковыеэлементы, изготовленные даже в одной партии, имеют разброс параметров, поэтомуочень остро стоит задача согласования их работы по времени. Если один изэлементов откроется с задержкой или закроется раньше остальных, то к нему будетприложено полное напряжение плеча, и он выйдет из строя.
Для сниженияуровня высших гармоник и улучшения электромагнитной совместимости используютмногопульсные схемы преобразователей. Согласование преобразователя с питающейсетью осуществляется с помощью многообмоточных согласующих трансформаторов Т.
На рис.9.изображена 6-ти пульсная схема с двухобмоточным согласующим трансформатором. Напрактике существуют 12-ти, 18-ти, 24-х пульсные схемы преобразователей. Числовторичных обмоток трансформаторов в этих схемах равно 2, 3, 4 соответственно.
Схемаявляется наиболее распространенной для высоковольтных преобразователей большоймощности. Преобразователи имеют одни из лучших удельные массогабаритныепоказатели, диапазон изменения выходной частоты от 0 до 250-300 Гц, КПДпреобразователей достигает 97,5%.
3. Схемапреобразователя с многообмоточным трансформатором
Силовая схема преобразователя (рис.10.) состоит измногообмоточного трансформатора и электронных инверторных ячеек. Количествовторичных обмоток трансформаторов в известных схемах достигает 18. Вторичныеобмотки электрически сдвинуты относительно друг друга.
/>
Это позволяет использовать низковольтные инверторные ячейки.Ячейка выполняется по схеме: неуправляемый трехфазный выпрямитель, емкостнойфильтр, однофазный инвертор на IGBT транзисторах.
Выходы ячеек соединяются последовательно. В приведенномпримере каждая фаза питания электродвигателя содержит три ячейки.
По своимхарактеристикам преобразователи находятся ближе к схеме с последовательнымвключением электронных ключей.
Специальныемашины постоянного тока (МПТ): электромашинный усилитель (ЭМЦ), тахогенератор,назначение, устройство, принцип работы.
Специальные машиныпостоянного тока
Универсальныйколлекторный двигатель. Исполнительные двигатели постоянного тока.Магнитогидродинамический генератор. Тахогенератор. Электромашинный усилитель.Униполярный генератор. Вентильные двигатели.Какиебывают электрические двигатели и где они применяются?
Электрические двигателибывают постоянного и переменного тока (рис. 2). Наиболее распространеныэлектрические двигатели переменного тока. Они просты по устройству,неприхотливы в эксплуатации. Основной недостаток — практически не регулируемаячастота вращения.
Электрические двигателипеременного тока изготавливают одно- и многофазными. Основные элементы такихдвигателей — статор (неподвижная часть) и ротор (вращающаяся часть).Выпускаются электродвигатели с коротко замкнутыми обмотками ротора (типабеличьей клетки) и обмотками, выведенными на коллектор (систему контактныхколец) и замыкающимися через регулируемые резисторы. Такие роторы называютфазными, а электродвигатели — электродвигателями с фазным ротором.
Электрические двигателипеременного тока применяют для привода рабочих машин различного назначения(насосы, деревообрабатывающие станки, дробилки и т. д.), не требующих регулированиячастоты вращения. Выпускаются на мощности от 0, 2 до 200 и более киловатт.
Электродвигателипостоянного тока состоят из подвижной части (якоря) и неподвижной части(статора). Они выпускаются с параллельным, последовательным и смешаннымсоединением обмоток якоря и статора. Достоинством двигателей постоянного токаявляется способность регулировать частоту вращения, но они требуют значительныхусилий при эксплуатации.
/>
Рис. 2. Электрическиедвигатели: а — постоянного тока; б — синхронные; в ~ асинхронные с фазнымротором; г — асинхронные трехфазные с коротко замкнутым ротором серии 4А. 1 —вал, 2 ~ шпонка, 3 —подшипник, 4 — статор, 5 — обмотка статора, 6 — ротор(якорь); 7 — вентилятор; 8 — коробка выводов; 9 — лапа, 10 — коллектор; 11 —щетки; l1, l2 — продольное и поперечное расстояния в лапах; l3 — длинавыступающего конца вала; l4. — размер выступающей крышки; h — высота осивращения; d1, d2 — диаметры вала и отверстий в лапах.
Универсальныеколлекторные двигатели применяются в промышленных и бытовых электроустановках(электрифицированный инструмент, вентиляторы, холодильники, соковыжималки, мясорубки,пылесосы и др.). Они рассчитаны для работы как от сети постоянного тока (110 и220 В), так и от сети переменного тока частотой 50 Гц (127 и 220 В). Этидвигатели имеют большой пусковой момент и сравнительно малые размеры.
По своему устройствууниверсальные коллекторные двигатели принципиально не отличаются отдвухполюсных двигателей постоянного тока с последовательным возбуждением.
В универсальныхколлекторных двигателях не только якорь набирается из листовойэлектротехнической стали, но и неподвижная часть магнитопровода (полюса иярмо).
Обмотка возбуждения этихдвигателей включается с обеих сторон якоря. Такое включение (симметрирование)обмотки позволяет уменьшить радиопомехи, создаваемые двигателем.
Для получения примерноодинаковых частот вращения при номинальной нагрузке как на постоянном, так и напеременном токе обмотку возбуждения выполняют с ответвлениями: при работедвигателя от сети постоянного тока обмотку возбуждения используют полностью, апри работе от сети переменного тока — лишь частично.
Вращающий моментсоздается за счет взаимодействия тока в обмотке якоря (ротора) с магнитнымпотоком возбуждения.
Эти двигатели выпускаютсяна сравнительно небольшие мощности — от 5 до 600 Вт (для электроинструмента —до 800 Вт) и частоты вращения — 2770 — 8000 об/мин. Пусковые токи такихдвигателей невелики, поэтому их в сеть включают непосредственно без пусковьксопротивлений. Универсальные коллекторные двигатели имеют минимум четыревывода: два для подключения к сети переменного тока и два для подключения ксети постоянного тока. КПД универсального двигателя на переменном токе ниже,чем на постоянном. Это вызвано повышенными магнитными и электрическимипотерями. Величина тока, потребляемого универсальным двигателем при работе напеременном токе, больше, чем при работе этого же двигателя на постоянном токе,так как переменный ток помимо активной составляющей имеет еще и реактивнуюсоставляющую.
Частоту вращения такихдвигателей регулируют, изменяя подводимое от сети напряжение, например,автотрансформатором, а у двигателей небольшой мощности — реостатом.
Однофазный коллекторныйдвигатель нельзя пускать в ход при малой нагрузке, потому что он может пойти«вразнос».
Отечественнаяпромышленность выпускает универсальные коллекторные двигатели серий УЛ, МУН, УМТ,ДТА-4, УВ, М-1Д, ЭП, УД, Д2-03, ЭПП-1 и др.
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МИКРОМАШИНЫ АВТОМАТИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ
/>
Электрические микромашиныавтоматических устройств гораздо разнообразнее микромашин общепромышленногоприменения, что объясняется спецификой выполняемых ими функций. Для ниххарактерно не силовое преобразование энергии, а преобразование одной величины вдругую. Например, электрического сигнала в механическое перемещение, угловогосмещения в напряжение и т.д.
Такие показатели работы,как КПД, cosj, полезная мощность, весьма важные для силовых электрических машинобщего применения, здесь оказываются несущественными. Главными являютсятребования высокой точности работы, хорошего быстродействия, надежности истабильности характеристик.
Микромашиныавтоматических устройств можно разделить на следующие группы:
1)исполнительные илиуправляемые микродвигатели;
2)информационныемикромашины;
3)электромашинныеусилители;
4)электрическиемикромашины гироскопических систем.1. ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕДВИГАТЕЛИ
Исполнительными(управляемыми) двигателяминазываются электромеханические устройства,преобразующие электрический сигнал в механическое вращение вала. Такиедвигатели являются очень важными элементами систем автоматики и телемеханики.От качества их работы во многом зависит качество работы всей, порой оченьсложной системы.
Главные требования,предъявляемые к исполнительным двигателям:
· отсутствиесамохода — вращение двигателя при отсутствии сигнала управления;
· широкийдиапазон регулирования частоты вращения;
· устойчивостьработы во всем диапазоне угловых скоростей;
· высокоебыстродействие;
· максимальнаялинейность механических и регулировочных характеристик;
Особенностьисполнительных двигателей заключается в том, что они практически никогда неработают в установившимcя режиме. Для них характерны частые пуски, реверсы,остановы и другие переходные режимы. В конструктивном отношении это закрытыемашины, в большинстве случаев без вентилятора. Последний не нужен по причинемалой эффективности в переходных режимах и нежелания увеличивать моментинерции.
В зависимости отпитающего напряжения исполнительные двигатели подразделяются на три группы:
1) асинхронныеисполнительные двигатели;
2) исполнительныедвигатели постоянного тока;
3) шаговые двигатели.
Почти все исполнительныедвигатели (за малым исключением) имеют две обмотки. На одну из них — обмоткувозбуждения (ОВ), напряжение подается постоянно, на другую — обмотку управления(ОУ), напряжение подается лишь на время отработки перемещения.2. ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ДВИГАТЕЛИ ПОСТОЯННОГО ТОКА
/>
Несмотря на рядсущественных недостатков, связанных с наличием скользящего контакта междущеткой и коллектором, исполнительные двигатели постоянного тока широкоиспользуются в системах автоматического управления, регулирования и контроля,поскольку обладают и рядом положительных качеств, в частности такими как:плавное, широкое и экономичное регулирование частоты вращения; практическоеотсутствие ограничений на максимальную и минимальную частоту вращения; большиепусковые моменты; хорошая линейность механических а при якорном управлении ирегулировочных характеристик.
Как и любыеисполнительные двигатели, эти имеют две обмотки: обмотку возбуждения и обмоткууправления. При этом напряжение управления может подаваться либо на обмоткуякоря, либо на обмотку возбуждения. Поэтому различают якорное и полюсноеуправление.3. Якорное управление исполнительным двигателем
/>
Рис. 2.1. Схема включенияисполнительного двигателя при якорном управлении
Схемавключения двигателя с якорным управлением показана на рис. 2.1. Напряжениевозбуждения подается на обмотку полюсов, напряжение управления — на обмоткуякоря. Коэффициент сигнала a здесь равен a = Uу/Uв. Длядвигателей с постоянными магнитами a = Uу/Uу.ном.Регулирование частоты вращения осуществляется изменением напряжения управления.
Регулировочныехарактеристикилинейные. Напряжение трогания пропорционально моменту нагрузки.Линейность механических и регулировочных характеристик является важнымдостоинством якорного управления.
Мощность управления резковозрастает с увеличением коэффициента сигнала. Кроме того, она доходит до 95 %полной потребляемой мощности двигателя, поскольку является мощностью якорнойцепи, что характерно для двигателей постоянного тока.
В данном случае этоявляется существенным недостатком якорного управления, ибо предполагает наличиемощных и дорогих усилителей.
Мощность возбужденияостается величиной постоянной, независящей ни от коэффициента сигнала, ни отчастоты вращения. К тому же — она небольшая по величине, что также характернодля машин постоянного тока.
Максимум механическоймощности в сильной степени зависит от коэффициента сигнала и даже при a = 1 непревышает 1/4 базовой мощности.4. Полюсное управление исполнительным двигателем
/>
Рис. 2.4. Схема включенияисполнительного двигателя при полюсном управлении
Схема управленияприведена на рис.2.4 Напряжение управления подается на обмотку главных полюсов,напряжение возбуждения — на обмотку якоря, по которой в течение всего времениработы двигателя протекает ток возбуждения.
Несмотря на отмеченныедостоинства полюсного управления, предпочтение все-таки следует отдать якорномупотому, что оно обеспечивает линейные и однозначные характеристики, в принципеисключает самоход (при полюсном он возможен из-за взаимодействия тока якоря спотоком остаточной намагниченности полюсов), обладает более высокимбыстродействием, поскольку индуктивность якоря меньше индуктивности обмоткивозбуждения.ЭЛЕКТРОМАШИННЫЕУСИЛИТЕЛИ
Простейшим усилителеммощности является обычный генератор постоянного тока с независимымвозбуждением. Коэффициент усиления машины определяется отношением тока,протекаемого в обмотке якоря, к току возбуждения:
/>
В таком исполнениикоэффициент усиления равен порядка 15 — 30.
Усилительную способностьгенератора можно увеличить, если использовать каскадную схему включениягенераторов. В этом случае с выхода первого генератора подключается обмоткавозбуждения второго, а выход со второго генератора будет превышать по мощностивход первого в 1000 и более раз.
Каскадная схемаприменяется редко из-за своей громоздкости и дороговизны.
Чаще используют такназываемые электромашинные усилители (ЭМУ). Электрическая схема ЭМУ приведенана рис. 7.6.1.
/>
Конструктивноэлектромашинный усилитель представляет собой коллекторную машину постоянноготока с независимым возбуждением, имеющую два комплекта щеток (продольные 1-1' ипоперечные 2-2').
Ток, протекающий пообмотке возбуждения Iв, создает продольный магнитный поток Фd, направленный пооси полюсов машины. При вращении якоря на поперечных щетках 2-2' появляется ЭДСЕ2 = С n Фd Так как они замкнуты накоротко, то в обмоткеякоря появляется большой ток I2. Этот ток создает в обмотке якорясильное поперечное магнитное поле реакции якоря Фq, неподвижное впространстве и направленное по оси щеток 2-2'. Под действием магнитного потокаФq в якорной обмотке ме-жду щетками 1-1' возникает ЭДС Е1= С n Фq >>Е2, так как Фq >>Фd.При подключении к щеткам 1-1' нагрузки Rн в цепи потечет ток Iяпревышающий ток Iв в десятки тысяч раз. Электромашинные усилителиприменяют для автоматического управления мощными электродвигателями.
В зависимости отконструкции и способа возбуждения ЭМУ подразделяются на следующие типы:
1) с независимымвозбуждением;
2) со смешаннымвозбуждением;
3) со специальнойориентацией магнитных потоков.
ЭМУ с независимымвозбуждением представляет собой обычный генератор постоянного тока, обмоткавозбуждения которого питается от регулируемого источника напряжения. Выходноенапряжение ЭМУ с независимым возбуждением с достаточной степенью точностилинейно зависит от скорости вращения его ротора. ЭМУ с независимым возбуждениемдает возможность управлять значительными мощностями нагрузки при незначительныхзатратах мощности в обмотке управления. Коэффициент усиления по мощности длянекоторых типов ЭМУ с независимым возбуждением может достигать значений 100 иболее. Постоянная времени обмоток возбуждения обычно составляет десятые долисекунды.
ЭМУ со смешаннымвозбуждением представляет собой генератор постоянного тока, работающий в режимесамовозбуждения. ЭМУ со смешанным возбуждением отличаются от усилителей снезависимым возбуждением тем, что необходимая для создания магнитного потокавозбуждения мощность почти целиком поступает с выхода по цепи положительнойобратной связи. Вследствие этого результирующий коэффициент усиления системыможет быть достаточно большим.
Для третьего типа ЭМУклассификационными признаками являются число ступеней усиления и ориентацияуправляющего магнитного потока второй (и третьей) ступени усиления по отношениюк управляющему магнитному потоку первой ступени усиления. По числу ступенейусиления ЭМУ подразделяются на одно-, двух-и трехступенчатые. По ориентацииуправляющего магнитного потока второй ступени двух- и трехступенчатые ЭМУподразделяются на ЭМУ с поперечным, с продольным полем и с продольно-поперечнымполем.
ЭМУ с поперечным полемпредставляет собой специальный генератор постоянного тока с якорем, выполненнымпо типу якорей обычных машин постоянного тока, но с дополнительной паройпоперечных короткозамкнутых щеток (см. рис. 14.55). Благодаря такой конструкцииЭМУ с поперечным полем требует для возбуждения мощность, в десятки раз меньшую,чем соответствующая мощность возбуждения обычных генераторов. На статоре ЭМУрасположены одна или не-. сколько обмоток управления (на рис. 14.55 показанатолько одна обмотка Wy), обмотка дополнительных полюсов и компенсационнаяобмотка.
В ЭМУ с поперечным полеммагнитный поток управления второй ступенью усиления расположен перпендикулярнок магнитному потоку управления первой ступенью. Так как принято считать, чтомагнитный поток первой ступени, создаваемый входной управляющей обмоткой,направлен по продольной оси ЭМУ (перпендикулярно рис. 14.55), то магнитныйпоток управления второй ступени направлен по поперечной оси ЭМУ. Поэтому этоткласс двухступенчатых ЭМУ и получил название ЭМУ с поперечным полем.
При подаче на обмоткууправления Wy сигнала управления в ЭМУ возникает продольный магнитный потокуправления. В витках вращающегося с постоянной скоростью ротора (якоря)наводится ЭДС, при этом наибольшего значения она достигает в витках,расположенных в продольной плоскости ЭМУ. Напряжение этой ЭДС снимаетсяпоперечными щетками 1 (см. рис. 14.55). Поскольку они закорочены исопротивление цепи мало, то в цепи протекает достаточно большой ток, что приводитк формированию значительного по величине поперечного магнитного потока. Этотпроцесс называется реакцией якоря по поперечной цепи (первая ступень усиленияЭМУ). Под действием усиленного таким образом магнитного потока в виткахвращающегося якоря ЭМУ наводится ЭДС, максимальная величина которой имеет местов витках, расположенных в плоскости этого потока, т.е. в поперечной плоскостиЭМУ. Напряжение этой ЭДС, снимаемое продольными щетками 2, является выходнымсигналом ЭМУ (вторая ступень усиления). Поскольку при подключенной нагрузке попоперечным виткам якоря ЭМУ протекает ток, то под действием этого тока в ЭМУсоздается магнитный поток, направленный по продольной оси навстречу потоку. Этотак называемая реакция якоря ЭМУ по продольной оси. Таким образом, в продольнойоси ЭМУ будет действовать некоторый результирующий магнитный поток, которыйявляется функцией не только управляющего напряжения в обмотке Wy, но ипараметров нагрузки. Для уменьшения противодействующего магнитного потока встаторе ЭМУ используется компенсационная обмотка, с помощью которой достигаетсякомпенсация продольной реакции якоря.
/>
Рис. 14.55. Упрощеннаясхема ЭМУ с поперечным полемОДНОЯКОРНЫЕПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
Для преобразованияпеременного тока в постоянный, как известно, используют выпрямители.Преобразование постоянного тока в переменный можно осуществить электромашиннымипреобразователями. Каскад из двух машин: (асинхронный двигатель переменноготока и генератор постоянного тока) вполне решают эту задачу.
Но бывает ситуация, когданеобходимо преобразовать постоянный ток низкого напряжения в постоянный токповышенного напряжения. Делается это в одной комбинированной машине, состоящейиз двигателя и генератора постоянного тока с общей магнитной системой. Состороны низкого напряжения это электродвигатель, а со стороны повышенногонапряжения — генератор постоянного тока с независимым возбуждением.
В одних и тех же пазахякоря преобразователя заложены самостоятельные обмотки низкого и повышенногонапряжения. Концы обмоток присоединены к соответствующему коллектору (рис.7.7.1), причем обмотка повышенного, напряжения имеет значительно большее числопроводников, чем обмотка низкого напряжения.
Одноякорныепреобразователи широко применяются в авиационной технике, а также вобщепромышленных установках, где первичным источником постоянного тока являетсяаккумулятор.
Одноякорныепреобразователи постоянного тока в трехфазный переменный отличается отрассмотренного тем, что обмотка повышенного напряжения состоит из
/>
трех секций, смещенныхдруг от друга на 120°. Выводы секционных обмоток припаяны к трем контактнымкольцам и с помощью токосъемных щеток переменный ток передается к потребителю.ТАХОГЕНЕРАТОРЫПОСТОЯННОГО ТОКА
Тахогенераторами называютэлектрические машины малой мощности, работающие в генераторном режиме ислужащие для преобразования частоты его вращения в электрический сигнал.
Тахогенераторыпостоянного тока по принципу действия и конструктивному оформлению являютсяэлектрическими коллекторными машинами.
Выходной характеристикойтахогенератора является зависимость величины на-пряжения на зажимах якоря Uяот частоты его вращения n при постоянном магнитном потоке возбуждения Ф ипостоянном сопротивлении нагрузки Rнагр
На рис. 7.8.1 показанавыходная характеристика тахогенератора при различных Rнагр.
/>Тахогенераторы
Тахогенераторомназывается информационная электрическая машина, предназначенная для выработкиэлектрических сигналов, пропорциональных частоте вращения ротора.Тахогенераторы могут быть постоянного и переменного тока. Тахогенераторыпостоянного тока представляют собой маломощные генераторы постоянного тока с независимымвозбуждением или с возбуждением от постоянных магнитов. Выходное напряжениетахогенератора пропорционально частоте вращения ротора.
Асинхронный тахогенераторпо конструктивному исполнению подобен асинхронному двигателю с полымнемагнитным ротором. Он состоит из статора и неподвижного сердечника ротора,между которыми, в воздушном зазоре вращается тонкий полый немагнитный цилиндр.Принципиальная схема асинхронного тахогенератора показана на рис. 13.4.
/>
Рис. 13.4
На статоре генератораразмещены две обмотки, пространственно смещенные относительно друг друга на 90o.Одна из них, обмотка возбуждения B, подключена к источнику синусоидальногонапряжения, другая обмотка, являющаяся генератором Г, включается наизмерительный прибор или на измерительную схему.
Обмотка возбуждениясоздает пульсирующий магнитный поток Фв.
При неподвижном ротореЭДС в генераторной обмотке равна нулю, так как вектор магнитного потока Фвперпендикулярен оси этой обмотки.
При вращении цилиндрапульсирующий магнитный поток индуктирует в нем ЭДС вращения. Под действием ЭДСв цилиндре появляются токи, направления которых указаны на рис. 13.4. Токисоздают по оси генераторной обмотки пульсирующий поперечный поток Фп.Этот поток индуктирует в генераторной обмотке ЭДС, пропорциональную частотевращения цилиндра.
Асинхронныетахогенераторы, как и тахогенераторы постоянного тока, используются дляизмерения скорости вращения валов, а также для вырабатывания ускоряющих илизамедляющих сигналов в автоматических устройствах
Характеристикаповреждения трансформаторов. Методы испытания трансформаторов
Силовые трансформаторыявляются одним из наиболее массовых и значимых элементов энергосистем. Так, в1999 г. только в ЕЭС России было в эксплуатации в сетях 110 — 750 кВ силовыхтрансформаторов и автотрансформаторов общей мощностью Sт.уст. = 567569 МВ-А при установленной мощности генераторов Pг.уст.= 194 000МВт. При этом коэффициент соотношения установленных мощностей трансформаторов игенераторов составил: Kт.г. = 2,92. При учетеустановленной мощности всех силовых трансформаторов, включая трансформаторы напряжениемменее 110 кВ, Кт.г. существенно больше и достигает 6-6,5.
Естественно, чтонадежность работы сетей, электростанций и энергосистем в значительной степенизависит от надежности работы трансформаторов, тем более, что значительная частьтрансформаторов отработала определенный стандартом минимальный срок службы — 25лет [I], а техническое перевооружение трансформаторов в силу сложившихсяусловий идет крайне медленно: в 1993 г. оно составило 1,1%, а в 1999 г. — всеготолько 0,5%.
Для анализа надежности работытрансформаторов в первую очередь необходима представительная выборкаэксплуатационных данных, а также следующая информация:
· распределениеповреждений по основным узлам трансформаторов разных классов напряжений;
· характеристикитяжести повреждений;
· ролькоротких замыканий;
· частотаповреждений в зависимости от срока службы трансформаторов;
· причиныи последствия повреждений;
· данныеоб отклонениях от требований нормативно-технических документов, инструкцийзаводов-изготовителей, противоаварийных и эксплуатационных циркуляров,руководящих и распорядительных документов РАО «ЕЭС России» [2].
За период с января 1997по ноябрь 2000 г. было проанализировано в общей сложности по актам, поступившимв Департамент генеральной инспекции по эксплуатации электрических станций исетей РАО «ЕЭС России», 712 отказов и технических нарушений силовыхтрансформаторов напряжением 35 — 750 кВ.
В табл. 1 приведенораспределение повреждений силовых трансформаторов по узлам и классамнапряжений, при этом их число составило: 29% для 35 кВ; 47% для 110 кВ; 19% для220 кВ; 2% для 330 кВ; 3% для 500 кВ; 0% для 750 кВ.
Как следует из табл. 1,наибольшую повреждаемость имеют: высоковольтные вводы — 22%, обмотки — 16%,устройства РПН — 13,5%. Значительная доля отказов приходится на течи (11%) иупуск трансформаторного масла (23%).
Таблица 1
Распределение повреждений силовых трансформаторов по узлам иклассам напряжений за период январь 1997 г. — ноябрь 2000 г.Узел Класс напряжения, кВ 35 110 220 330 500 750 Всего Число % Число % Число % Число % Число % Число % Число % Обмотки 61 30 43 13 10 7 1 8 115 16 Магнитопровод 2 1,5 1 8 3 0,5 Система охлаждения 7 3 16 5 8 6 2 15 3 14 36 5 РПН 4 2 61 18 26 19 1 8 5 24 97 13,5 Вводы 27 13 77 23 44 32 3 23 7 34 158 22 Течь масла 15 7 35 10 21 15 3 23 4 19 78 11 Упуск масла 59 30 75 22 24 18,5 2 15 2 9 162 23 Вандализм 31 15 31 9 1 1 63 9 Итого 204 100 338 100 136 100 13 100 21 100 712 100
В табл. 2 приведенораспределение повреждений силовых трансформаторов по узлам, для которых в актахуказана продолжительность их эксплуатации. Как видно из табл. 2, поврежденияобмоток имеют место у трансформаторов с любыми сроками эксплуатации, для РПНнаибольшее число повреждений у трансформаторов со сроками эксплуатации 10-30лет, для высоковольтных вводов — после 10 лет эксплуатации. Однако имеющиесяданные не позволяют сделать оценку зависимости повреждаемости трансформаторовот срока эксплуатации, так как для этого необходимо учитывать числоэксплуатируемых трансформаторов в каждом диапазоне времени службы.
Наиболее тяжелымповреждением трансформатора является внутреннее короткое замыкание (КЗ). Какпоказал анализ, повреждения, вызванные внутренними КЗ, имели место приповреждениях обмоток в 80% случаев общего числа повреждении обмоток, приповреждениях высоковольтных вводов — 89%, при повреждениях РПИ -25% и приповреждениях прочих узлов — 36% соответственно, включая ошибки при монтаже,ремонте и эксплуатации.
При обработке данныхактов выявлен ряд случаев неправильного применения [3] в части требований ксоставлению актов расследования технологических нарушений в работеэлектростанций, сетей и энергосистем. Составители актов не всегда выполняют приих заполнении требования всех пунктов. Так, за период 1997-1998 гг. 23,4% актовбыли оформлены не полностью. В 2000 г. доля не полностью оформленных актовсократилась до 10,4%. В частности, в ряде случаев отсутствуют данные онедоотпуске, недовыработке энергии и экономическом ущербе от последствийотказа, как того требует [4].
Основные повреждениятрансформаторов и высоковольтных вводов с указанием причин их возникновения,характером и последствиями их развития приведены в табл. 3.
Анализ повреждений трансформаторов с внутренними короткимизамыканиями по периодам, указанным в [1] (первый — в течение первых 12 летэксплуатации до первого капитального ремонта, второй — за полный нормированныйсрок службы не менее 25 лет, третий — за срок службы более 25 дет), представлендалее.
За период эксплуатации до12 лет имели место следующие виды повреждений:
· внутренниеповреждения трансформаторов из-за длительного неотключения при сквозных КЗ настороне 10 кВ;
· поврежденияобмоток высшего напряжения из-за возникновения виткового замыкания;
· повреждениянегерметичных вводов, длительно хранившихся на складе до установки втрансформатор;
· перекрытиямасляного канала герметичных вводов по внутренней поверхности нижней фарфоровойпокрышки;
· нарушенияцелостности контактной системы и токоограничивающих сопротивлений контактораРПН, приведшие к образованию электрической дуги и выбросу масла.
За период 12-25 летэксплуатации имели место следующие повреждения:
· поврежденияобмоток низшего напряжения при резко переменных нагрузках дуговых электрическихпечей завода;
· поврежденияиз-за увлажнения и загрязнения изоляции обмоток;
· увлажнениябакелитовой изоляции контактора РПН;
· повреждениянегерметичных вводов из-за увлажнения и загрязнения внутренней изоляции;
· перекрытие,масляного канала герметичных вводов по внутренней поверхности нижней фарфоровойпокрышки.
Таблица 2
Распределение повреждений силовых трансформаторов по узлам суказанием продолжительности их эксплуатации за период январь 1997 г. — ноябрь2000 г.Узел Число повреждений по продолжительности эксплуатации Всего 10 лет 10-20 лет 20-30 лет 30-40 лет более 40 лет Обмотки 23 25 23 28 12 111 Магнитопровод 6 1 1 Система охлаждения 2 14 13 1 30 РПН 12 28 21 10 71 Вводы 15 37 38 31 9 130 Течь масла 12 16 19 11 3 61 Упуск масла 12 22 22 14 5 75 Вандализм 3 6 10 1 1 21 Итого 79 148 147 96 30 500
Т а б л и ц а 3
Основные повреждения трансформаторов высоковольтных вводовУзел Повреждение Причина возникновения повреждения Характер и последствия развития повреждения Обмотка Выгорание витковой изоляции и витков обмотки Длительное неотключение сквозного тока КЗ на стороне низшего напряжения трансформатора Выгорание витковой изоляции и витков, разложение масла, расплавление и разбрызгивание меди и разрушение изоляции Деформации обмотки Недостаточная электрическая стойкость обмоток Повреждение изоляции вследствие деформации обмоток с возможным повреждением трансформатора Увлажнение и загрязнение изоляции обмоток Нарушение герметичности трансформатора к токам КЗ
Снижение электрической прочности маслобарьерной изоляции и пробой первого масляного канала, что может вызвать:
— развитие «ползущего разряда»
— ионизационный пробой витковой изоляции за счет вытеснения масла водяным паром из капилляров изоляции
— повреждение трансформатора Износ изоляции обмоток Снижение механической стойкости изоляции обмоток Разрушение изоляции обмоток с последующим возникновением виткового замыкания или замыкания на другую обмотку при умеренном сквозном токе КЗ с внутренним повреждением трансформатора Дефект изготовления грозоупорной обмотки Касание петель грозоупорных обмотокразделяющей перегородки В условиях вибрации трансформатора ведет к истиранию изоляции петель и развитию пробоя Магнитопровод Перегрев магнитопровода Образование короткозамкнутого контура в магнитопроводе Оплавление стали магнитопровода, пожар в железе, разложение масла Система охлаждения Нарушение охлаждения трансформатора Повреждение маслонасосов Нарушение охлаждения трансформатора и загрязнение механическими примесями Засорение труб охладителей Перегрев трансформатора Переключатели ответвлений РПН Нарушение контактов в РПН Искрение, перегрев, оплавление и выгорание контактов. Подгар токоограничивающих сопротивлений Неработоспособность РПН Нарушение перегородки, изолирующей бак расширителя МЧН от бака трансформатора Дефект изготовления Загрязнение масла трансформатора, снижение его электрической прочности, усложнение диагностики трансформатора Механическая неисправность ГОН Износ элементов кинематической схемы Обгорание контактов переключателей Нарушение герметичности бака контактора Увлажнение бакелитового цилиндра контактора Внутреннее дуговое КЗ по увлажненным расслоениям бакелитовой изоляции бака РПН Прочие узлы Нарушение герметичности Подсос воздуха через сальники задвижек. Нарушение герметичности гибкой оболочки расширителя, неисправность воздухоосушителя Проникновение атмосферной влаги и воздуха, ослабление электрической прочности изоляции Нарушение контактных соединений отводов, демпферов и др. Дефект монтажа и наладки Перегрев контактов, загрязнение контактов продуктами разложения изоляции и масла Течь масла через резиновые прокладки в месте соединений бака с выхлопной трубой, из-под разъема крепления ввода Дефекты монтажа, ремонтам эксплуатации Упуск масла из трансформатора Высоковольтные негерметичные вводы Увлажнение и загрязнение изоляции негерметичных вводов Проникновение атмосферной влаги во ввод, образование примесей в масле ввода Создает условия для развития теплового и электрического пробоя изоляции ввода Высоковольтные герметичные вводы Отложение осадка (продуктов окисления масла или вымывания из конструктивных материалов) на внутренней поверхности фарфора и на поверхности внутренней изоляции Осадок адсорбирует влагу и загрязнения, в том числе металлосодержащие Приводит к возникновению проводящих дорожек, развитию разрядов и пробою масляного канала ввода Коллоидное старение масла В результате окислительных процессов и взаимодействия масла с конструктивными материалами, в первую очередь, с медесодержащими и железосодержащими, происходит образование и рост коллоидных частиц Приводит к снижению электрической прочности масляного канала ввода Течь масла из вводов через нижние резиновые прокладки, из-за нарушения верхнего уплотняющего узла, через резиновые уплотнения измерительного вывода Дефекты монтажа, ремонта и эксплуатации Ведет к снижению давления масла, нарушению герметичности, попаданию влаги и воздуха во ввод. Вызывает снижение электрической прочности изоляции Повышение давления во вводах Вызывается потерей герметичности сильфонов и, как следствие, недостаточной температурной компенсацией имеющегося объема масла, а также появлением источника интенсивного газообразования или нарушением связи между вводом и выносным баком давления Снижение электрической прочности внутренней изоляции ввода
За период после 25 лет эксплуатации имели место повреждения:
· внутренниеповреждения трансформаторов из-за длительного их неотключения при сквозных КЗна стороне 10 кВ;
· поврежденияРПН и обмоток трансформаторов при переключениях РПН;
· повреждениятрансформаторов из-за нарушения контактов отвода обмотки, обрыва частипроводников гибкой связи от вводного изолятора к обмотке, отгорания отводаобмотки в баке трансформатора с замыканием на ярмовую балку;
· повреждениянегерметичных вводов из-за увлажнения и загрязнения внутренней изоляции;
· износизоляции обмоток.
Из зафиксированныхслучаев повреждений трансформаторов с внутренними короткими замыканиями 15%сопровождались взрывами и пожарами. Эти повреждения в основном были вызваныповреждениями РПН, обмоток и высоковольтных вводов.
Так, в частности, приперекрытии изоляции масляного канала герметичного ввода ГМТА-110 произошлоповреждение автотрансформатора АТДЦТН-125000/220/110 1985г. изготовления.Трансформатор поврежден полностью и восстановлению не подлежит.
Из-за сильного износаизоляции обмоток произошло повреждение с пожаром трансформатораОТД-60000/220/110 1958г. изготовления с полным разрушением трансформатора ивводов 220, 110 и 10 кВ.
В результате поврежденияРПН автотрансформатора АОДЦТН-267000/500/220 1973 г. изготовления ипоследующего пожара произошли: разрыв бака, разрушение фарфоровых покрышеквводов 220 кВ, корпуса контактора устройства РПН, отгорание спуска гибкой связи220 кВ от воздействия пламени пожара, повреждение оборудования шкафов обдува(ШАОТ) и кабельных связей системы охлаждения, а также трех охладителей.
Проведенный анализпоказал, что внутренние КЗ в трансформаторах 110-500кВ связаны, в первуюочередь, с повреждениями РПН, высоковольтных вводов и обмоток. При этомнаиболее тяжелые последствия имеют место при развитии таких дефектов, как:
· снижениеэлектрической прочности масляного канала высоковольтных герметичных вводовиз-за отложения осадка на внутренней поверхности фарфора и на поверхностивнутренней изоляции, а также из-за коллоидного старения масла;
· снижениеэлектрической прочности бумажно-масляной изоляции высоковольтных негерметичныхвводов из-за увлажнения и загрязнения;
· увлажнение,загрязнение и износ изоляции обмоток трансформаторов;
· выгораниевитковой изоляции и витков обмоток из-за длительного неотключения сквозноготока КЗ на стороне низшего напряжения трансформатора;
· ошибкимонтажа, ремонта и эксплуатации.
Необходимо отметить, чтобольшая часть указанных дефектов могла бы быть своевременно выявленаприменением существующих методов и средств технической диагностики.
С выходом шестого издания[5] для силовых трансформаторов, автотрансформаторов и масляных реакторовсущественно расширен перечень контролируемых параметров. При этомпринципиальное отличие действующего документа [5] от предыдущего [6]заключается в том, что наряду с традиционными испытаниями, лежащими в основеоценки состояния трансформаторов, где контролируемые параметры в своей основеимеют связь с электрической прочностью изоляции, введены новые, не имеющиенепосредственной связи, но нацеленные на раннее обнаружение развития дефектов.К ним относятся: хроматографический анализ газов, растворенных в масле;контроль содержания фурановых соединений в масле; измерение степениполимеризации; тепловизионный контроль; измерение сопротивления короткогозамыкания. Также появляются предложения по дальнейшему расширению данногоперечня, в частности: контроль уровня частичных разрядов; ИК-спектрометрическийанализ; контроль мутности и поверхностного натяжения масла; вибрационныйконтроль состояния прессовки обмотки и др.
Таблица 4
Вид диагностической ценности методов контроляМетод контроля Анализируемый процесс Вид диагностической ценности Хроматографический анализ газов, растворенных в масле Перегрев токоведущих соединений и элементов конструкции внутренней изоляции, электрический разряд в масле Сопутствующий показатель физико-химического разрушения изоляции. Монотонность изменения во времени при развитии процесса. Детерминированная диагностическая ценность Измерение степени полимеризации бумажной изоляции Износ бумажной изоляции Функция физико-химического разрушения изоляции. Монотонность изменения во времени при развитии процесса. Детерминированная диагностическая ценность Измерение содержания фурановых соединений в масле Старение бумажной изоляции Сопутствующий показатель физико-химического разрушения изоляции. Отсутствие монотонности и значимых различий изменения содержания от срока эксплуатации и степени износа изоляции. Случайная диагностическая ценность Измерение мутности масла Коллоидно-дисперсные процессы в высоковольтных герметичных вводах Функция физико-химического состояния коллоидно-дисперсной системы. Монотонность изменения во времени при развитии процесса. Детерминированная диагностическая ценность Измерение поверхностного натяжения Старение масла Функция полярности жидкости. Монотонность изменения во времени при развитии процесса. Детерминированная диагностическая ценность ИК-спектрометрия Старение масла Сопутствующий показатель наличия продуктов старения масла. Монотонность изменения во времени при развитии процесса. Детерминированная диагностическая ценность Тепловизионный контроль Локальные зоны перегрева Сопутствующий показатель теплового состояния трансформатора и токоведущих частей. Монотонность изменения во времени при развитии процесса. Детерминированная диагностическая ценность Измерение частичных разрядов Ионизационные процессы в изоляции Сопутствующий показатель физико-химического разрушения изоляции. Отсутствие монотонности изменения во времени при развитии процесса. Случайная диагностическая ценность Измерение сопротивления короткого замыкания Деформация обмоток Сопутствующий показатель изменения геометрии обмоток Монотонность изменения во времени при развитии процесса Детерминированная диагностическая ценность Метод низковольтных импульсов Деформация обмоток Сопутствующий показатель изменения геометрии обмоток Монотонность изменения во времени при развитии процесса Детерминированная диагностическая ценность Определение усилий прессовки обмоток трансформатора по частоте собственных колебаний системы прессовки при внешнем импульсном механическом воздействии Распрессовка обмоток Сопутствующий показатель степени прессовки обмоток. Монотонность изменения во времени при развитии процесса. Детерминированная диагностическая ценность
Один из наиболееобъективных показателей, позволяющих оценить информативность используемогопризнака, — диагностическая ценность. При наличии статистических данных йотпоказатель представляет собой численную оценку информации о состоянииоборудования, которой обладает интервал значений измеряемого параметра.
Следует отметить, что прианализе диагностической ценности того или иного признака принципиально важноезначение имеют следующие аспекты:
· являетсяли контролируемый показатель функцией физико-химического состояния изоляции илион отслеживает сопутствующие изменения при развитии процессов, приводящих кповреждениям;
· наличиемонотонности изменения значения измеряемого показателя во времени при развитиихарактеризуемого им процесса;
· наличиезначимых различий между значениями измеряемого показателя и степенью развитияпроцесса.
Выполнение илиневыполнение этих условий определяет вид диагностической ценности (наличиедетерминированной или случайной, диагностической ценности) у используемыхпризнаков.
В табл. 4 приведенаоценка вида диагностической ценности методов контроля процессов, приводящих кповреждениям трансформатора. Необходимо подчеркнуть, что признаки со случайнойдиагностической ценностью, определяемой отсутствием монотонности изменениязначений при развитии контролируемого им процесса, не могут быть использованыдля принятия решений о состоянии оборудования, а лишь в некоторых случаях могутсвидетельствовать о необходимости более полного обследования.
Дополнительно необходимоотметить, что в настоящее время в эксплуатации еще находится довольно многотрансформаторов, изготовленных в соответствии с [7], имеющих недостаточнуюэлектродинамическую стойкость к возросшим уровням токов короткого замыкания вэнергосистемах. Согласно [1] расчетная мощность трехфазного короткого замыканияв сетях 6 — 750 кВ примерно в 2,5 раза больше принятой в [I]. Повреждаемостьтрансформаторов, разработанных до 1970 г., согласно [8] превышает 1%, в товремя как у новых она около 0,2% (без учета повреждений из-за высоковольтныхвводов). Для трансформаторов, изготовленных в соответствии с [I], имеет местоповышенный риск их повреждений. Риск в этом случае представляет собой материальныеи социальные потери от коротких замыканий.
Объективное наличиефактора риска в условиях эксплуатации требует применения целенаправленныхмероприятий, позволяющих снизить риск как в части вероятности повреждениятрансформатора, так и в части возможных убытков. К первой части следует отнестииспользуемые в практике координации уровней токов короткого замыкания различныемероприятия по ограничению сквозных токов короткого замыканияавтотрансформаторов энергосистем при достижении токами значений 80% и болеенормированного уровня [9, 10]. Это изменение схемы сети (схемные решения),обеспечивающее снижение токов короткого замыкания; стационарное иавтоматическое деление сети; введение реакторов в нейтраль трансформаторов иавтотрансформаторов; ограничение опасных воздействий токов короткого замыканияна обмотки автотрансформаторов путем выбора очередности АПВ линий и дажеблокировки АПВ; применение методов и средств диагностики.
Требуется повышенноевнимание к мероприятиям, оказывающим прямое влияние на снижение возможныхубытков в случае возникновения аварийной ситуации: действия персонала всоответствии с нормативными инструкциями, эффективность работы автоматическойсистемы пожаротушения, четкая работа релейной защиты и наличие необходимогорезерва электрооборудования.Выводы
1. Внутренниекороткие замыкания в трансформаторе обусловлены чаще всего повреждениями РПН,высоковольтных вводов и обмоток. Эти повреждения сами по себе являются наиболеечастыми.
2. Целесообразновнесение дополнений и изменений в РД 34.45-51.300-97 «Объем и нормыиспытаний электрооборудования» в части оценки состояния бумажной изоляцииобмоток на основе анализа диагностической ценности нормируемых показателей длятрансформаторов, отработавших определенный стандартами минимальный нормированныйсрок службы 25 лет.
3. Целесообразноразработать методические указания по повышению надежности герметичных вводов вэксплуатации для продления срока службы трансформаторов.
4. Длятрансформаторов, у которых возможны превышения допустимых для них значенийтоков короткого замыкания, имеет место повышенный уровень риска их повреждений,который следует учитывать в эксплуатации. Важной составной частью мероприятийпри оценке технического состояния таких трансформаторов является выявлениеналичия опасных деформаций обмоток, потери механической прочности витковойизоляции и распрессовки обмоток.
5. Необходимоповысить требования к электротехнической промышленности в части повышениянадежности работы РПН, вводов и обмоток (конструкция и изоляция).
Схемыэлектрооборудования обслуживаемого участка (цеха, отдела)
Защитаот вредных веществ в промышленности: Вентиляция. Назначение, виды
Вентиляцией называетсясовокупность мероприятий и устройств, используемых при организациивоздухообмена для обеспечения заданного состояния воздушной среды в помещенияхи на рабочих местах в соответствии со СНиП. (Строительными нормами).
Системы вентиляцииобеспечивают поддержание допустимых метеорологических параметров в помещенияхразличного назначения.
Различают следующие видывентиляционных систем:
1. Естественнаявентиляция (Перемещение воздуха в системах естественной вентиляции происходитвследствие разности температур, давлений наружного воздуха и воздуха впомещении).
2. Механическаявентиляция (В механических системах вентиляции используются оборудование иприборы, позволяющие перемещать воздух на значительные расстояния).
3. Приточная вентиляция(Приточные системы служат для подачи в вентилируемые помещения чистого воздухавзамен удалённого).
4. Вытяжная вентиляция (Вытяжнаявентиляция удаляет из помещения загрязненный или нагретый отработанный воздух).И т. д.
Вентиляционные системы,как правило, состоят из определенного набора компонентов:
1. Воздухозаборнаярешётка (через неё поступает воздух в систему)
2. Воздушный клапан(предотвращает попадания в помещение наружного воздуха при выключеннойвентиляционной системе).
3. Фильтр (фильтруетпоступающий воздух от механических загрязнений).
4. Калорифер иливоздухонагреватель (подогревает воздух, поступающий в систему вентиляции взимний период).
5. Шумоглушитель(предотвращает распространение шума по воздуховодам).
6. Вентилятор (подаёт иливыбрасывает воздух из системы).
7. Воздуховоды(распределяют воздушные потоки по помещению).
8. Воздухораспределители(решетки или диффузоры: через них осуществляется подача (забор) воздуха изпомещения).
9. Автоматика (управлениеэлементами вентиляционной системы).
На сегодняшний деньнаиболее распространённым вентиляционным оборудованием является вентиляционноеоборудование фирм Ostberg (Швеция), Systemair (Швеция).