Математическая модель асинхронного двигателя в мультифазной системе координат при несимметрии роторных цепей

Abstract

Актуальность исследования обусловлена острой необходимостью в теоретическом обосновании и практической разработке селективных методов диагностирования сложных внутренних повреждений мощных высоковольтных асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором, являющихся одним из главных элементов ответственных механизмов всех технологических процессов в топливно-энергетическом комплексе. Как правило, спецификой работы высоковольтных асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором в топливно-энергетическом комплексе как на стадии добычи и транспортировки георесурсов, так и на стадии их переработки являются тяжелые условия пуска, особенно это выражено для ответственных механизмов тепловых электростанций (питательные насосы, мельницы, дробилки, дымососы, дутьевые вентиляторы и т. д.). Отказы асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором на тепловых электростанциях приводят либо к отключению энергоблока, либо как минимум к снижению уровня выработки электроэнергии. При этом, несмотря на тяжелейшие и, как правило, необратимые последствия от такого повреждения - дефекты в короткозамкнутой обмотке ротора асинхронных двигателей - защит от данного повреждения не существует, и выявляется оно только в период капитального ремонта. Обрыв стержня ротора, вызывающий несимметрию роторных цепей, в начальной стадии носит скрытый характер и является толчком для развития более опасных аварийных режимов. Отсутствие апробированных технических средств диагностики данного вида повреждения, прежде всего, связано с недостаточной формализацией математического описания процессов в асинхронных двигателях с короткозамкнутым ротором при возникновении дефектов в обмотке ротора. Объект: высоковольтные асинхронные электродвигатели переменного тока с короткозамкнутым ротором. Цель: разработать математическую модель асинхронной машины с несимметрией роторных цепей, адекватно отображающую физические процессы в машине при возникновении повреждений в обмотке ротора. Методы и средства. Для достижения поставленной цели применялись теоретические методы исследований. К ним относятся: теория электрических машин, численные методы. Имитационное моделирование производилось в среде MatLab, а математическая обработка данных - в пакете MathCad. Результаты. Разработана n-фазная имитационная модель асинхронного двигателя, позволяющая исследовать обрыв стержня в беличьей клетке. Предложены аналитические выражения, которые описывают процессы в двигателе при неподвижном роторе.

Relevance of the study is caused by an urgent need in theoretical justification and practical development of selective methods of diagnosing complex internal damages of powerful high-voltage squirrel-cage induction motors, which are one of the main elements of responsible mechanisms of all technological processes in fuel and energy complex. As a rule, specificity of work of high-voltage squirrel-cage motors in fuel and energy complex, both at a stage of extraction and transportation of georesources, and at a stage of their processing, are heavy conditions of start-up, especially it is expressed for critical mechanisms of thermal power plants (feed pumps, mills, crushers, smoke exhausters, blowers, etc.). Failures of squirrel-cage induction motors of critical mechanisms at thermal power plants lead to either shutdown of a power unit or at least to reduction of a level of electric power generation. At the same time, despite the gravest and, as a rule, irreversible consequences, there are no protections against such damage as defects in short-circuited winding of squirrel-cage induction motor rotor and such damage is detected only during overhaul. Broken-rotor-bar in the initial stage is latent and is a trigger for the development of more dangerous emergency modes. Lack of tested technical means for diagnostics of this type of damage is first of all related to insufficient formalization of mathematical description of processes in squirrel-cage induction motor when defects in rotor winding occur. Object: high voltage squirrel-cage induction AC motors. The aim of the research is to perform modeling of induction machine with electrical asymmetry rotor, adequately reflecting physical processes in the machine when damage occurs in the rotor cage. Methods. Theoretical research methods were used to solve the problem. They include: the theory of electrical machines, numerical methods. Simulation modeling was performed in MatLab environment, and mathematical data processing in MathCad package. Results. An n-phase simulation model of an induction motor has been developed, which allows us to investigate the broken rotor bar in a squirrel-cage. Proposed analytical expressions, which describe the motor operation when the rotor is stationary.