Модернизация ТВУ синхронных двигателей карьерных экскаваторов

Цели модернизации:
1. Значительное повышение надёжности работы электроприводов с синхронными двигателями
2. Энергосбережение. Компенсация реактивной мощности потребляемой нагрузками, подключенными к одному фидеру.
3. Повышение эксплуатационных свойств электроприводов с синхронными двигателями.
4. Снижение прямых финансовых потерь в результате внедрения пунктов 1 и 2 проекта.
5. Улучшение условий труда обслуживающего персонала

Реализация

1. Повышение надёжности работы электроприводов с синхронными двигателями

Режим работы синхронного двигателя, его влияние сеть, устойчивость работы в синхронном режиме во многом зависят от тиристорного возбудительного устройства (в дальнейшем ТВУ) управляющего током возбуждения синхронного двигателя.

Силовые схемы ТВУ во многом схожи, как правило, это согласующий силовой трансформатор, тиристорный выпрямитель, собранный по мостовой или нулевой схеме, тиристорный ключ и гасящее сопротивление. Силовая часть ТВУ очень надёжна, её элементы, как правило, исправно служат в течение всей жизни ТВУ.

Наиболее подвержена отказам система управления ТВУ. Именно от системы управления зависят и сугубо электромеханические характеристики синхронного привода, и экономические последствия его работы.

Применяющиеся в тиристорном возбудителе аналоговые системы управления исчерпали свои возможности, за кажущейся внешней простотой скрываются неразрешимые проблемы:

Проблема №1: кадровая – для настройки микропроцессорной  системы управления МБВ.006 специалисту достаточно быть средним пользователем компьютера, таких с каждым годом всё больше. Чтобы настроить аналоговую систему управления, требуются знания и опыт в области электроники, много ли таких специалистов на Вашем предприятии? Их средний возраст?

Проблема №2: запасные части – для поддержания в рабочем состоянии аналоговых систем, требуются электронные компоненты, большая часть которых давно не выпускаются и приобретаются с хранения.

Проблема №3: в связи с большим числом элементов, в аналоговой системе происходят изменения параметров схемы под воздействием внешней среды.

Проблема №4: аналоговые системы из-за ограничений своей структуры не учитывают всего спектра взаимосвязей параметров электропривода (больше связей – сложнее схема) их алгоритмы управления слишком примитивны.

Для повышения надёжности работы синхронного (вообще любого) привода нужна микропроцессорная система управления на современной элементной базе в наиболее полной степени реализующая в себе принцип «прямого цифрового управления». Суть принципа: основную работу в системе выполняет процессор, минимум активных элементов и электрических связей, основное назначение элементов схемы – нормализация сигналов идущих в/из процессора.

При условии схемотехнически правильной реализации нормализующих цепей (большинство из них – стандартные, проверенные временем решения) в микропроцессорной системе наиболее важны качество алгоритмов управления объектом и кода сервисных функций, глубина проработки алгоритмов управления с учётом всех доступных для анализа сигналов, как поступающих извне, так и вычисляемых косвенно.

Взаимосвязь алгоритмов управляющих возбуждением синхронного двигателя сложна, но они должны учитывать все, даже самые невероятные ситуации, это касается любого технологического программного обеспечения.

Всем перечисленным требованиям отвечает Микропроцессорный Блок управления Возбудителем (МБВ.006, МБВ.007).

Технические особенности

Конструктивно МБВ выполнен в виде стального корпуса — моноблока с возможностью крепления, как на стену, так и на дверь возбудителя (6 точек крепления). Внешние разъёмные соединения расположены снизу, в целях исключения попадания на разъёмы воды, которая может попасть на верхнюю крышку блока.
Моноблочная компоновка с внешними разъёмными соединениями ускоряет замену блока на резервный при возникновении неисправности, в случае необходимости, операция замены займёт не более 10 минут.

Внутри корпуса размещены 4 платы:
1. плата процессора (дискретные входы/выходы, разъёмы для подключения внешних интерфейсных плат, аналоговые входы)
2. плата индикации
3. плата усилителей импульсов
4. плата источника питания и датчиков

Платы объединены между собой гибким шлейфом, применение общей изолированной информационной шины, позволило продублировать все сигналы передаваемые через шлейф и повысить надёжность системы.

Платы покрыты слоем полиуретанового лака, защищающего их от воздействия влаги и конденсата. Электронные компоненты – в основном SMD (поверхностный монтаж) что повышает стойкость устройства к вибрации. Температурный диапазон компонентов – индустриальный          (-40?С… +85?С).

(По рис.1.) Основной элемент структуры МБВ.006 – процессор, окружённый цепями нормализации и защиты дискретных и аналоговых входов/выходов, которые гарантируют выживаемость процессора при попадании на входы схемы статических разрядов и сигналов с уровнем, превышающим номинальные значения.
Каждый канал усилителя импульсов управления тиристорами имеет обратную связь, благодаря которой ток управления тиристорами поддерживается на постоянном заданном уровне вне зависимости от разброса параметров тиристоров и их изменения от температуры, и колебаниях напряжения питания.
На процессорной плате установлены интерфейсные разъёмы, для подключения дополнительных плат, в настоящее время доступны:
- плата изолированных АЦП (позволяет вводить в систему дополнительные не связанные между собой сигналы =75мВ, =10В, =24В, ШИМ (=5-24В, 0-400Гц))
- изолированный интерфейс RS232
- изолированный интерфейс RS485
- изолированный интерфейс Ethernet

Возможна разработка интерфейсных плат по техническому заданию заказчика.
Ввод уставок и наладка МБВ.006 осуществляется от персонального компьютера (ноутбука) по USB, либо  RS232/RS485/Ethernet интерфейсам. По RS232/RS485/Ethernet осуществляется обмен информацией с системой верхнего уровня.
Основа МБВ.006 – его программное обеспечение. Для бесперебойной и корректной работы привода, МБВ имеет встроенные средства диагностики всех датчиков с автоматическим отключением неисправного датчика, например:
1. при работе в автоматическом режиме, при пропадании сигналов напряжения статора, автоматически включается ручной режим (стабилизации тока ротора)
2. при работе в автоматическом режиме, при обрыве датчика тока ротора (отсутствии обратной связи) кроме аварийного завершения работы по защите «Обрывы поля», предусмотрен режим продолжения работы по косвенным данным о токе ротора (для этого срабатывание защиты «Обрыв поля» должно быть запрещено) параметры стабилизируемые в автоматическом режиме останутся неизменными.
3. состояние двигателя (включен/разгоняется/выключен/на выбеге/генераторный режим) безошибочно определяется по прямым и косвенным данным, и в их числе время.

2. Энергосбережение. Компенсация реактивной мощности потребляемой нагрузками, подключенными к одному фидеру.
 
Реактивная мощность – паразитный фактор неблагоприятный для сети в целом.

Асинхронные электродвигатели и распределительные  трансформаторы, являются источниками реактивной электроэнергии (мощности). При их включении в сеть, между электроустановкой и сетью возникает обмен потоком реактивной энергии, суммарная мощность которого равна нулю, но при этом:
- возникают дополнительные потери в проводниках в следствии увеличения тока
- снижается пропускная способность распределительной сети
- напряжение сети отклоняется от номинала (в следствие падения напряжения из-за увеличения реактивной составляющей тока сети)

Избежать этого процесса невозможно, за то возможно свести его к минимуму.

Для компенсации реактивной мощности нужно установить дополнительный источник реактивной мощности (Q – на рисунке), тогда обмен потоками энергиями будет происходить между этим источником и электроустановками на небольшом участке цепи, не проходя по основным сетям, и следовательно не вызывая в них негативных последствий. 

В случае когда на участке цепи подключены электроустановки с синхронными электродвигателями (рис.4) можно использовать их способность генерировать реактивную мощность.

В идеальном случае, на участке цепи, суммарная реактивная мощность, генерируемая синхронными двигателями, должна быть равной реактивной мощности потребляемой асинхронными двигателями и трансформаторами. Так как синхронные двигатели, кроме компенсации реактивной мощности, производят полезную работу, то их компенсационные способности будут меняться от максимальной на холостом ходу, до нуля в режиме максимальной нагрузки. Качество работы синхронного двигателя как компенсатора определяется системой управления возбудительного устройства.

Схема подключения возбудителя для компенсации реактивной мощности нагрузки

МБВ.006 позволяет измерять ток и напряжение статора двигателя, определять сдвиг фазы между ними и  стабилизировать его  заданное значение. Если подключить измерительные цепи МБВ.006 не к двигателю, а к участку цепи, то двигатель, возбуждением которого управляет МБВ.006, станет стабилизировать угол ? нагрузки, но данные о токе статора и угле ? двигателя будут потеряны, что приведёт к аварийным последствиям.

 

Для компенсации реактивной мощности участка цепи (фидера) необходимо сохранить стандартную схему подключения измерительных цепей статора, и с помощью дополнительного устройства передать системе управления возбудителя информацию о реактивной мощности нагрузки, для принятия решения о компенсации.  
Автоматический Регулятор Возбуждения (в дальнейшем АРВ) реализованный в МБВ.006 при работе в режиме компенсации реактивной мощности нагрузки будет  автоматически регулировать ток возбуждения в пределах, обеспечивающих устойчивую и длительную (без перегрева) работу двигателя (рис.6.) чётко выделяются три граничных зоны:
1) Ограничение по максимальному току статора. При токе двигателя больше номинального значения (уставка), компенсационные возможности ограничены, а риск выхода из синхронизма велик, по этому блок установит номинальный (т.е. максимально допустимый по нагреву) ток возбуждения
2) Ограничение по максимальному току возбуждения. Исключение перегрева.
при работе АРВ на токах статора ниже номинального, возможна ситуация, когда 
для компенсации Q потребуется установить ток возбуждения больше номинального, но блок установит номинальный (т.е. максимально допустимый по нагреву) ток возбуждения.
3) Ограничение по устойчивости.
Для удержания двигателя в синхронизме, ток возбуждения, выставленный АРВ ограничен током, при котором обеспечивается cos ?=1 двигателя на данной нагрузке. То есть, при отсутствии необходимости компенсировать реактивную мощность нагрузки, синхронные двигатели переходят в режим минимума потребляемой активной мощности.

2.1. Оценка компенсационных свойств синхронных двигателей
 
Предварительно требуется просчитать, сколько реактивной мощности могут компенсировать электроустановки с синхронными двигателями
 
2.1.1. Оценка компенсационных способностей двигателя на холостом ходу

[1] где Q — реактивная мощность [kBAр], U – напряжение статора [кВ], Iр – реактивный ток (статора)[А]

Реактивный ток (статора) определяется по векторной диаграмме и рассчитывается по формуле

[2] где Ip – реактивный ток [A], Iн – номинальный (допустимый) ток [A],  Iа – активный ток соответствующий сos?=1 [A]
 
 
 
 
2.1.2. Оценка компенсационных способностей двигателя экскаватора ЭШ-10/70 на холостом ходу 
 
Ток статора номинальный   Iн = 139А
Напряжение статора   Uн=6кВ
Ток возбуждения номинальный Iвн = 294А

Рис.1. U-характеристики ЭШ-10/70

Минимальный активный ток холостого хода Iа = 2,3 A (точка А)
Допустимый ток Iн = 139А (номинальный ток статора)
По формуле [2] максимальный реактивный ток Iр = 138,9 А
По формуле [1] максимальная реактивная мощность Q = 833,4 кВАр
При действующем ограничении на ток возбуждения (Iвн = 294А) максимальный реактивный ток при P=0 ограничен значением Iр(Iвн) = 105А
Таким образом, двигатель может длительно отдавать реактивную мощность (по формуле [1]) 
Q_{длит ЭШ-10/70}  = 630 кВАр

2.1.3. Оценка компенсационных способностей двигателя экскаватора ЭКГ-8И на холостом ходу 

Ток статора номинальный   Iн = 60А
Напряжение статора   Uн=6кВ
Ток возбуждения номинальный Iвн = 280А

 Рис.2. U-характеристика ЭКГ-8И

Минимальный активный ток холостого хода Iа = 5,2 A (точка А)
Допустимый ток Iн = 60А (номинальный ток статора)
По формуле [2] максимальный реактивный ток Iр = 59,8 А
По формуле [1] максимальная реактивная мощность Q = 358,6 кВАр

При действующем ограничении на ток возбуждения (Iвн = 280А) максимальный реактивный ток при P=0 ограничен значением Iр(Iвн) = 42А
Таким образом, двигатель может длительно отдавать реактивную мощность (по формуле [1]) 
Q_{длит ЭКГ-8И} = 252 кВАр

2.1.4. Наибольшая суммарная компенсируемая реактивная мощность
 
На холостом ходу, суммарная реактивная мощность, отдаваемая синхронными двигателями экскаваторов, может достигать:
Qmax = 2 Q_{длит ЭШ-10/70} + 2 Q_{длит ЭКГ-8И} = 1764 кВАр

2.1.5. Компенсационная способность двигателей экскаваторов в рабочем режиме.
 
Оценка способностей двигателей компенсировать реактивную мощность при нагрузке от и выше номинального тока статора не производится, таким образом диапазон работы автоматического регулятора возбуждения (АРВ) ограничен:
1) по току статора: от минимума Icхх (холостой ход) до номинального тока статора Icн
2) по току возбуждения: от Iв?=0 (ток возбуждения при cos?=1) до Iвн (номинальный ток возбуждения)

 

Рис.4. Диапазон работы АРВ на ЭКГ-8И

2.2. Компенсация реактивной мощности в процессе работы экскаваторов ЭКГ-8И, ЭШ-10/70
 
Процесс работы экскаваторов состоит из чередования состояний холостого хода и работы под нагрузкой. 
Принимаем, что компенсирующей мощности недостаточно для компенсации потребляемой реактивной мощности, в данном режиме, ток возбуждения ограничен Iвн.
На холостом ходу двигатель будет отдавать требуемое количество реактивной мощности в сеть, под нагрузкой с токами статора свыше номинального, двигатель будет потреблять недостающую реактивную мощность из сети.

Рис.5. Регистограмма работы ЭШ-10/70 с наложением графика отдаваемой 
реактивной мощности QАРВ в зависимости от режима работы экскаватора

Время холостого хода в рабочем цикле T(Q_АРВ = Q_{длит ЭШ-10/70} ) = 24сек (из 136)
Продолжительность максимальной отдачи реактивной мощности ПК _ЭШ-10/70 % = 17%

Рис.6. Регистограмма работы ЭКГ-8И с наложением графика отдаваемой реактивной мощности QАРВ 
в зависимости от режима работы экскаватора.

Время холостого хода в рабочем цикле T(Q_АРВ = Q_{длит ЭКГ-8И}) = 40сек (из 136)
Продолжительность максимальной отдачи реактивной мощности ПК _ЭКГ-8И % = 29%

2.3. Компенсируемая реактивная мощность в рабочем режиме по фидеру

Продолжительность максимальной отдачи реактивной мощности ПК _ЭШ-10/70 % = 17%
Максимально реактивная мощность в длительном рещиме  Q_{длит ЭШ-10/70}  = 630 кВАр
Продолжительность максимальной отдачи реактивной мощности ПК _ЭКГ-8И % = 29%
Максимально реактивная мощность в длительном рещиме  Q_{длит ЭКГ-8И} = 252 кВАр

В режиме одновременной производительной работы экскаваторов, их двигатели могут компенсировать:

Q час=(2 Q_{длит ЭШ-10/70} )ПК _ЭШ-10/70 % /100%+(2 Q_{длит ЭКГ-8И} )ПК _ЭКГ-8И % /100%=360,4 кВАр час

2.4. Блок вычисления нагрузки. Способ передачи данных о нагрузке фидера

В силовом кабеле экскаватора нет дополнительных жил для передачи дополнительных сигналов о нагрузке фидера. Предполагается организовать радиоканал между фидером и блоками МБВ.006 установленными  в тиристорных возбудителях. 

Радиоканал реализуется с помощью радиомодемов с диапазоном частот 433МГц, дальность связи до 10км. Радиомодемы в герметичных корпусах в комплекте с антеннами установлены снаружи. Радиомодемы подключены к  блокам МБВ.006 и блоку вычисления нагрузки по интерфейсу RS485.

В ячейке фидера установлен блок вычисления нагрузки задачи которого:
- измерение напряжения сети и тока нагрузки
- вычисление реактивной мощности нагрузки (угол ?) 
- широковещательная передача значения угла ? блокам МБВ.006 данного фидера
- организация связи с центральным пультом

Блок вычисления нагрузки, передаёт значение угла ? нагрузки одновременно всем блокам МБВ.006 относящихся к данному фидеру. МБВ.006 использует полученные данные как сигнал обратной связи для работы своего АРВ, обеспечивающего компенсацию реактивной мощности нагрузки в пределах возможностей двигателя. Таким образом, генерируемая реактивная мощность равномерно распределяется между синхронными двигателями.
Данные о нагрузке (особенно угол ?) обновляются с частотой 50Гц. Скорость передачи данных по радиоканалу 4,8kBPS, длина широковещательного пакета 8 байт, обратный не требуется, при данных условиях обеспечивается передача сигнала обратной связи с частотой 60Гц.
Блок вычисления нагрузки, периодически опрашивает блоки МБВ.006 и по запросу передаёт эти данные в центральный пульт.

3. Повышение эксплуатационных свойств электроприводов с синхронными двигателями.

МБВ.006 имеет средства записи в энергонезависимой памяти процессов пуска и отключения двигателя. Каждое событие сопровождается 2/2 секундной осциллограммой до/после события с привязкой к реальному времени, данные записываются с разрешением 0,1 сек.

Другие статьи