بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
شبیه سازی میزان مشارکت موتورهای القایی سه فاز درجریان خطا در شبکه شهرهای صنعتی با استفاده از نرم افزار Matlab
چکیده- با توجه به گسترش شبکه های جریان متناوب وانجام اتوماسیون در شبکه های تولید،انتقال وتوزیع توسط تجهیزات حفـاظتی هوشمند قابل کنترل از راه دور مانند اتوریکلوزها و سکسیونرها و... با مکانیزم قطع و وصل موتوری با سیستم کنترل R.T.U و با توجـه به اینکه در حال حاضر موتورهای القایی سه فاز به خصوص موتورهای القایی سه فاز قفسه سنجابی سهم بسزایی در واحدهای مختلـف تولیدی در شهرک های صنعتی دارند. بررسی مشکلات ناشی از مشارکت اینگونه موتورها در هنگام بروز خطا در شبکه های توزیع که به دلایل گوناگونی اتفاق می افتد، الزامی است. زیرا در انتخاب سیستم کنترل اتوماسیون شبکه و همچنـین تنظـیم تجهیـزات حفـاظتی، رعایت این موضوع ضروری است. لذا بایستی تدابیر لازم دراین خصوص اندیشیده شده ومحاسبات مربوط به میزان مشارکت این گونـه موتورها در جریان خطا در شبکه شهرک های صنعتی انجام پذیرد. یکی از ابزارهای مهم تشخیص اثرات میزان مشارکت ایـن موتورهـا درجریان خطای شبکه بخصوص خطای اتصال کوتاه سه فاز ، انجام شبیه سازی بوسیله نرم افزار Matlab است. باتوجه به اینکـه انجـام این آزمایشات درحالت واقعی وبررسی توانایی موتورها،شبکه، تجهیزات حفاظتی و هادی های شـبکه در تحمـل شـوکهای الکتریکـی ، حرارتی ومکانیکی ناشی از خطاهای مختلف مستلزم صرف هزینه و زمان قابل توجهی است و نیز امکان ایجاد صدمه به بخشهای مختلف شبکه،موتورها، ترانسفورماتورها، هادیهای شبکه و تجهیزات حفاظتی وجود دارد. ازاینرو منطقی به نظر می رسد که این شبیه سازی هـا انجام پذیرفته وداده های حاصل ازآن برای طراحی وانتخاب تجهیزات حفاظتی،هادیهای شبکه، ایزولاتورها وغیره مـورد اسـتفاده قـرار گیرند. دراین مقاله اثرات میزان مشارکت موتورهای القایی بر جریان خطا در شبکه ها با استفاده از نرم افزار Matlab شبیه سازی شده است.
کلید واژه - میزان مشارکت جریان خطا، موتور القایی سه فاز، اتصال کوتاه ، شبکه شهرک های صنعتی، شبیه سازی .
-1 مقدمه
باگسترش شبکه های جریان متناوب سه فـاز و اسـتفاده از آن در تمام واحدهای صنعتی وهمچنینایجاد اتوماسیون شبکه هـا در سالهای اخیر و با توجـه بـه مزیـت هـای مهـم موتورهـای القایی سه فاز . مشتمل برساختمان ساده، بهره برداری آسـان و مطمئن ، هزینه نگهداری کم ، قیمـت مناسـب ، قابلیـت راه اندازی زیر بار ، اندازه کوچکتر و کاهش هزینه هـا. اسـتفاده از آنها بصورت گسترده در مراکز صنعتی رواج پیدا نموده است. البته دربین موتورهای القـایی بیشـترین اسـتفاده راموتورهـای القایی سه فاز روتور قفسه سنجابی دارا هستند چون درمقایسه بانوع سیم پیچی شـده برتـری هـایی ازجملـه رانـدمان بـالاتر، نگهــداری کمتــر، فــاکتوراه ا نــدازی بهتــر درمحــدودیت فضــا وکاهش هزینه را دارا هستند.
درگذشته تلاشهایی چندانی برای بررسی میزان مشارکت ایـن موتورهــا درجریـان خطــا در شــبکه هــا مبتنــی بــر روشــهای محاسباتی و نیز انجام شبیه سازی توسط نرم افزارهای مختلف صورت نگرفته و بخصوص در ایران این موضوع تاکنون بررسـی و ارزیابی نشده است وهمچنین در خارج از کشور نیـز در ایـن زمینه اقدامات چشمگیر وموثری صورت نپذیرفته است. در این مقاله محاسبه اثرات انواع اتصال کوتاه برروی شبکه های توزیع صنعتی با توجه به میزان مشارکت موتورهای القـایی سـه فـاز آسنکون قفسه سنجابی مبتنی برروشهای محاسباتی ونیز انجام شبیه سازی توسط نرم افزارهای Matlab صورت گرفتـه، کـه می توان به موارد زیر اشاره نمود:
آزمایشات مربوط به تعیین پارامترهـای یـک شـبکه سـه فـاز بدون حضور موتور القایی شـبیه سـازی شـده اسـت وتجزیـه وتحلیل نتایج حاصل ازاین آزمایشات توضیح داده شـده اسـت در.[1] درادامه مقادیر پارامترهای موتور نمونه از طریق فرمـول های بیان شده یافته شده ودرنهایت مـدار معـادل یـک شـبکه وموتور القایی براساس این مقادیر نشـان داده شـده ومشخصـه های جریان خطا را در شبکه ، موتور ومحل خطا ترسیم شـده است.
رفتار شبکه درحالت خطای رخ داده در یک نقطهـاز شـبکه بـا حضور یک موتور القایی سه فاز آسنکرون بـا معـادلات ریاضـی مورد تجزیه وتحلیل قرار گرفته ومشخصـه هـای آن اسـتخراج شده است در .[2] فهم دقیق این معـادلات ونحـوه اسـتفاده از آنها مستلزم صرف وقت زیاد واستفاده از مراجع دیگر می باشد. روشی برای تحلیل رفتار گذرای مشارکت موتورالقایی سـه فـاز قفس سـنجابی مبتنـی برمعـادلات ریاضـی دردسـتگاه مرجـع دلخواه ارائه شده است که با استفاده از نتـایج معـادلات شـبیه سازی انجـام گرفتـه اسـت در. [3] در ادامـه از شـبیه سـازی موجود در Matlab استفاده شده است.
یک مدل کلی از موتور القایی سه فاز ارائه شـده اسـت وشـبیه سازی آن با استفاده از زیربلوک ها انجام شده است در.[4] مدل ریاضی تست های یک ماشین آسنکرون ونیـز محاسـبات کارائی این ماشین ارائه شده است در.[5] درادامه شبیه سـازی این ماشین توسط زیر بلوک ها وبا استفاده از معادلات ریاضـی بکار رفته شده در آنها تشریح شده است که به دلیل پیچیدگی مدل وتعدد زیر بلوک های موجود دربلوک دیاگرام ارائـه شـده تجزیه و تحلیل مدل ونتیجه گیری دشوار است.
نکته مشترک درمورد کارهـای انجـام شـده قبلـی اسـتفاده از روشــهای حــل مبتنــی بــر محاســبات ریاضــی وعــدم وجــود توضیحات کافی درمورد شبیه سازی ها است. همچنـین نحـوه انجام شبیه سازی ها واطلاعـات مـورد نیـاز بـرای انجـام آنهـا بخوبی تشریح نشده اند.
دراین مقاله سعی شده است که حتی الامکـان سـاختار بلـوک دیاگرام های شبیه سازی سـاده باشـد وشـکل مـدار بـا حالـت واقعی سیستم تطبیق داده شود تا فهم موضوع بـرای خواننـده ساده شود. همچنین نمایش خروجی هـا بـه صـورت نمودارهـا باعث می شود حالات خطـای شـبکه تحـت شـرایط مختلـف: قبل، وبعد از بروز خطای اتصال کوتاه به راحتـی قابـل بررسـی باشد.
-2 مفاهیم وروابط حاکم بر مسأله
یک اتصال کوتاه درشبکه منبع تأمین انرژی بـا حضـور موتـور القــــایی مــــی توانــــد تجهیــــزات حفــــاظتی ،هادیهــــای شبکه،ترانسفورماتورها وحتی موتورها را در معرض تنش هـای الکتریکی، حرارتی ومکانیکی شدیدی قرار دهد. دراین هنگـام انرژی مغناطیسی که درموتور ذخیـره شـده مـی توانـد ماننـد انرژی الکتریکی به محل خطا جریان پیدا کند، بنابراین قـدرت اتصال کوتاه درشبکه افزایش می یابد. برای مدت زمان کوتاهی بعد از اینکه اتصال کوتاه درشبکه اتفاق افتاد،این شبکه ماننـد منبعی خطا راتغذیه خواهـد کـرد واز اینـرو موتورهـای القـایی درزمان خطا درشبکه مشارکت داشته وباعـث افـزایش جریـان نقطه خطا در شبکه می گردند.
روش های محاسباتی استاندارد مربوط به اتصال کوتاه سه فـاز را می توان از برنامه تحلیل گر حالت هـای گـذرای الکتریکـی (ETAP) استخراج کرد. معمولا برای محاسـبه حالـت اتصـال کوتاه برنامه های تجاری مورد استفاده قرار می گیرند. برحسب اینکه استانداردهای آمریکایی یا اروپایی مـورد نظـر باشـند دو نوع مختلف از محاسبات می تواند دراستفاده واقع شوند.
طبق استاندارد IEEE جریان اتصال کوتاه لحظه ای به صورت زیر است:
که درآن جریان اتصال کوتاه متقارن عبارت است از:
که دران
پیک جریان اتصال کوتاه نیز از رابطه زیر محاسبه می شود:
همانطور که درادامه خواهیم دید بیشترین تنش، درلحظه بروز اتصال کوتاه به سیستم وارد می شود. به همین دلیل نیاز است که جریان اتصال کوتـاه اولیـه ای راکـه سیسـتم بایـد قادربـه تحمل آن می باشد، محاسبه کنیم.
جریان اتصال کوتاه اولیه برابر است با:
که درآن :
ولتاژ نامی سیستم
برای ولتاژ پایین بین 230 تا 400 ولت c=1.00
برای ولتاژ های پایین دیگر c=1.05
برای ولتاژ متوسط -<1kvc=1.10
-3 شبیه سازی وتحلیل پارامترهای موتور
به منظور درک بهتر مسأله، درزیر بلوک دیاگرام شبیه سـازی، خطای اتصال کوتاه در شبکه با مشارکت موتور القایی سـه فـاز مدل شده است.
-1-3 پارامترهای بلوک موتور القائی سه فاز
برای تعیین پارامترهای موتور القایی باید آزمایشات DC ، بـی باری و رتور قفل شده روی موتور مورد نظر انجام گیرد. پس از انجام آزمایشات فوق مقادیر مورد نیاز بـرای شـبیه سـازی بـه صورت زیر بدست می آید:
دراین آزمایش پس از اینکه موتور به حالت کار نامی خود رسید، ناگهان در شبکه تغذیه کننده آن اتصال کوتاهی رخ می دهد که در ادامه بلوک دیاگرام آن ارائه شده است.
مدلسازی اتصال کوتاه ها بوسیله بلوک خطا انجام می گیرد. با تنظیمات این بلوک می توان هرکدام از خطاهای اتصال کوتاه تک فاز به زمین،دوفاز وسه فاز رابه راحتی مدل کرد.(زمان خطا از 1/5 تا2/5 ثانیه درنظر گرفته شده است.) پس از اینکه موتور به مقادیر نامی خود رسید ناگهان اتصال کوتاه تک فاز به زمین درشبکه تغذیه موتور رخ می دهد که شکل موج های حاصل ارائه شده اند.
شکل (1)سرعت رتور موتور القایی سه فاز درزمان اتصال کوتاه تک فاز به زمین درشبکه
مشاهده می شود که اتصال کوتاه تک فاز به زمین تنها اندکی سرعت روتور این موتور القایی راتحت تأثیر قرار داده وباعث کاهش آن شده است.
شکل (2)جریان های رتور واستاتور موتور القایی سه فاز درزمان اتصال کوتاه تک فاز به زمین درشبکه
همانطور که از شکل مـوج هـا مشـخص اسـت درلحظـه خطـا جریان روتور افزایش یافته اما جریان استاتور کاهش مـی یابـد
وپس از رفع خطا به حالت نامی خود باز می گردد.
شکل (3) گشتاور الکترومغناطیسی موتور الغایی سه فاز در زمان اتصال کوتاه تک فاز به زمین
درلحظه خطا ابتدا مقدار گشتاور کاهش می یابد امـا در طـول خطا افزایش ثابتی همراه است که تا زمان رفع خطا تداوم دارد و پس از رفع خطا گشتاور به مقدار نامی خود باز می گردد.
-3-3 اتصال کوتاه دوفاز به هـم وبـه زمـین درشـبکه تغذیه موتور القائی سه فاز
پس از اینکه موتور به مقادیر نامی خود رسـید ناگهـان اتصـال کوتاه دوفاز به هم و به زمین درشبکه تغذیـه آن رخ مـی دهـد که شکل موج های مربوط به آن درادامه آورده شده است.
شکل (4)سرعت رتور موتور القایی سه فاز درزمان اتصال کوتاه دوفاز به هم وبه زمین
درشکل (2) دیدیم که سرعت موتور دراتصال کوتاه تک فـاز بـه زمین تغییر چندانی نکرد. امادر اتصال کوتاه دوفاز به هـم وبـه زمین سرعت درلحظه خطا به شدت افت مـی کنـد کـه باعـث اعمال فشار برموتور خواهد شد. پس از رفع خطا سرعت موتـور با کمی تأخیر مجدداً به مقدار نامی خود بازمی گردد.
