АББ Ревю 1 2011

Корпоративный технический журналРевю

АББ

Год, богатый на инновации 6 Способы получения энергии 47Искробезопасные двигатели 52 Обмен данными на подстанциях 73

Инновации

1|11

2 AББ Ревю 1|11

На обложке лежащего перед вами номера «АББ Ревю» изображены детали поражающей воображение архитектуры отеля «Яс» (Yas Hotel) в Абу-Даби. Хотя посетители, наверняка, обратят внимание на интереснейший дизайн здания, большинству из них вряд ли известно, что еще одна значительная инновация делает проживание гостей в отеле комфортнее – интеллектуальная система управления зданием АBB i-bus® KNX.Товары и услуги завтрашнего дня будут основываться на взаимодействии многочисленных инноваций на различных участках исследований и разработок. В этом выпуске «АББ Ревю» вы найдёте описание новейших технологических достижений компании.

3

Содержание

6 12

18

24

29

36

41

47

52

56

63

68

73

78

Основные тенденции инноваций11 лучших инноваций 2011 годаИнновации от CLEENКаким образом сотрудничество помогает исследова-тельским работам и разработкам АББ

Интеллектуальная эволюцияАвтоматический выключатель eVD4 упрощает и делает работу распределительных сетей среднего напряжения надёжнееСейсмический выключательСертифицированное распределительное устройство для АЭС – важнейшее звено во всей цепи

Лидирующие технологииСамый современный привод стана с зубчатым зацепле-нием производства компании АББ (Часть 1)На берегу и в мореОбзор технологий, применяемых, как на береговых соо-ружениях, так и на судах на примере стандартизации передачи электроэнергии с берега на судноПятиуровневый преобразовательТехнология ANPC-5L и привод ACS 2000

Время собирать урожайПолучение энергии для создания полностью автономных устройств для применения в промышленных процессахИскробезопасностьСинхронные и индукционные двигатели и генераторы с гарантированной искробезопасной эксплуатациейДвижение в будущееСинхронные двигатели, контролируемые частичнорегу-лируемым приводом, повышают производительность во многих областях промышленного применения

Другое альтернативное топливоЭнергосбережение – важнейшая составляющая полити-ки устойчивой энергетики на многих электростанцияхНейтрализация бросков сетиРешения компании АББ помогают трансформаторам распределительной сети выдерживать резкие измене-ния напряжения Обмен даннымиАББ осуществляет первое промышленное применение технологии шины обработки данных по стандарту МЭК 61850-9-2

Результаты нашей работыв читательских отзывах на «АББ Ревю»

Производитель-ность

Энергия

Вопросник

Приводы и конвертеры

Распределитель-ные устройства

Инновации

Содержание 3

AББ Ревю 1|11 4

Петер Тервиш Глава Департамента технологий АББ Ltd.

лагают, что снижение выброса CO2

благодаря повышению эффективности электростанций равняется альтернативному топливу, и показывают, как продукция компании АББ может помочь в достижении этой цели.

На производственных предприятиях приме-няются бесчисленные датчики и приводы. Многим из них для работы требуется лишь небольшой объём энергии, но непрерыв-ность такого обеспечения может представ-лять существенную проблему. Альтернати-вой проводке или аккумуляторам является извлечение энергии из окружающей среды (например, с использованием термоэлектри-ческих эффектов или колебаний). В «АББ Ревю» этой проблеме посвящена статья об извлечении энергии.

В области передачи и распределения энергии компания АББ играла и продолжает играть главную роль в разработке стандарта МЭК 61850 для связи с подстанцией. В «АББ Ревю» отдельная статья посвящена важной вехе: продолжающейся модерниза-ции ряда подстанций в Австралии, что стало первым промышленным применением стандарта МЭК 81850-9-2. Этот подраздел стандарта – важный шаг в области цифро-вой связи на подстанциях. Другие статьи рассказывают о различных типах распреде-лительных устройств, а также о защите трансформаторов от удара молнии.

Я надеюсь, что информация об инновациях, содержащаяся в лежащем перед вами номере «АББ Ревю», увеличит объём ваших знаний об их потенциале и вдохновит на поиск путей их эффективного практического применения.

Желаю приятного чтения!

Петер Тервиш, Глава Департамента технологий АББ Ltd.

Уважаемый читатель,Технологии являются определяющим аспектом жизнедеятельности современного общества. Чтобы понять, насколько мы зависим от конкретных технологий, доста-точно взглянуть на производственные процессы, от которых мы зависим, или на источники питания, благодаря которым в наших домах горит свет. Отличие завтраш-него мира от сегодняшнего будет в значи-тельной степени зависеть от технологиче-ского прогресса и технологий, которые появятся за это время. Благодаря своим научно-исследовательским лабораториям компания АББ, к нашей общей гордости, играет главную, если не сказать решающую, роль в продвижении некоторых из техноло-гий, способствующих такому прогрессу.

Для этого номера «АББ Ревю» мы выбрали 11 инноваций, разработанных в лаборатори-ях АББ по всему миру, и написали о них небольшие статьи. Многие из этих иннова-ций стали предметом дополнительных, более глубоких обсуждений в номерах нашего журнала.

Одной из областей, в которых за последние десятилетия произошли большие измене-ния, стала силовая электроника. Компакт-ные и надёжные полупроводниковые устройства позволяют преобразовывать электроэнергию с беспрецедентной степе-нью гибкости, эффективности и управляе-мости. «АББ Ревю» посвящает три статьи приводам и преобразователям. Одна из них посвящена новейшему, отмеченному призами приводу 2000 ACS, первому бестрансформаторному приводу среднего напряжения компании АББ.

Двигатели важны практически для всех производственных процессов, они выпуска-ются в различных версиях для самых разных сфер применения. В одной из статей мы расскажем о двигателях АББ без свечей зажигания и об их значении для предотвра-щения возгорания. Другая статья рассказы-вает об экономичных синхронных двигателях АББ. Рассматривая проблему энергосбере-жения в целом, в этой наводящей на опреде-лённые размышления статье авторы предпо-

От редакции

Инновации

5От редакции

6 AББ Ревю 1|11 6 AББ Ревю 1|11

Основные тенденции

инноваций

Концерн АББ постоянно стремится к дальнейшему усовершенствованию и расширению линейки выпускаемой продукции. По всему миру исследова-тельские и опытные лаборатории компании напря-жённо трудятся, создавая технологии, продукцию и решения, которые ещё более увеличат производи-тельность, эффективность и гибкость в работе с

потребителями. Каждый год новинки исчисляются сотнями, и выбрать наиболее заметные из них было нелёгкой задачей. Представленный здесь материал – это выборка последних достижений. Многие из них, так же как и другие технологические достижения, более предметно обсуждаются в этом и в последую-щих номерах «АББ Ревю».

Компания АББ внесла дополнение в семейство роботов средней грузо-подъёмности IRB 2600: IRB 2600ID. Буквы ID в названии робота означа-ют «integrated dressing», внутренняя проводка, то есть весь комплект рукава для электродуговой сварки проложен внутри верхнего манипу-лятора и запястного шарнира робота.

Внутренняя проводка – это не просто улучшение внешнего вида робота. Поскольку отпадает необходимость принимать во внимание свисающие кабели, движения робота стали полностью предсказуемы, что облегча-ет программирование робота и убыстряет его движения. Благодаря своим тонким манипулятору и запяст-ному шарниру, робот может проникать в ограниченные пространства, выполняя такие сложные задачи, как, например, кольцевую сварку без потерь в качестве и скорости.

Поскольку все шланги и кабели прочно закреплены и защищены, попадание брызг металла также снижается, что, в свою очередь, значительно увеличивает срок службы. Снижение затрат на приоб-ретение и замену достигает 75 % и позволяет ликвидировать до трёх остановок производства в течение года. Комплектные сварочные аппараты, специально созданные для робота IRB 2600ID, поставляются некоторыми крупнейшими производи-телями оборудования для электроду-говой сварки, включая компании Fronius, Esab, Binzel и SKS.

У робота IRB 2600ID очень маленькая площадь основания. Радиус основной окружности поворота составляет всего лишь 337 мм, а ширина основа-ния – 511 мм. Для применения в области электродуговой сварки пониженный риск задевания за других роботов позволяет создавать произ-водительные установки высокой плотности с количеством роботов на 50% больше обычного и с производи-тельностью одной гибкой производ-ственной ячейки выше также на 50%.

Дополнительную информацию о роботах АББ

смотрите на сайте www.АББ.com/robotics

Сварочный аппарат с узким корпусом

11 лучших инноваций 2011 года

7Topic 7Основные тенденции инноваций

Основные тенденции

инноваций

измерительными преобразователями) и вспомогательным оборудованием (например, защитными и контрольны-ми устройствами) автоматической системы подстанции. Она передаёт аналоговые данные (например, замеры тока и напряжения), двоичные данные (например, показатели состояния распределительной подстанции), а также команды включения и отключения (для управ-ления прерывателями цепи и разъ-единителями). До появления нового стандарта такой тип связи, как правило, требовал прокладки многочисленных медных кабелей.МЭК 61850-9-2 обладает многочис-ленными преимуществами. Поскольку шина является оптической, снижают-ся риски, связанные с высоким напряжением. Кроме того, упрощает-ся техническое обслуживание, так как электронные компоненты можно заменить, не отключая всю систему.

МЭК 61850 является стандартом, поддерживающим как связь между устройствами, так и обмен данными между автоматикой подстанций. В разделе стандарта МЭК 61850-9-2 описывается обмен аналоговыми значениями на шине обработки данных. Компания АББ в настоящее время осуществляет первое в мире внедрение шины обработки данных.

Шина обработки данных представля-ет собой коммуникационную сеть между основным оборудованием (например, прерывателями цепи и

Введение стандарта МЭК 61850-9-2 сопровождается внедрением эффек-тивных испытательных, диагностиче-ских и инструментальных средств.

Более подробную информацию смотрите в главе

«Общие ценности» на странице 73 этого номера

«АББ Ревю».

Технологии, применяемые при создании широко известного быстродействующего вакуумного прерывателя и самого быстрого в мире ограничителя и переключателя тока «Is-limiter», были скомбиниро-ваны для создания системы дугога-сителя для нового (классифицируе-мого как внутренняя дуга) и старого поколений распределительных устройств среднего напряжения, которые работают в сверхбыстром режиме.

Система функционирует по принципу предотвращения неконтролируемого выхода энергии из внутренней дуги с помощью быстродействующего трёхфазного металлического заземле-ния. Характеризуемый сравнительно слабым полным сопротивлением,

данный тип соединения заставляет ток короткого замыкания, поступающий от дуги короткого замыкания, немедлен-но переключаться на быстродействую-щий инновационный заземляющий переключатель и, таким образом, гасить дугу. Новый быстродействую-щий заземляющий переключатель (UFES) содержит три комплектных коммутационных элемента (каждый из которых состоит из двойной вакуумной камеры в оболочке из эпоксидной смолы), и электронного устройства быстрого размыкания для быстрого и надёжного обнаружения тока коротко-го замыкания и повышенной интенсив-ности дугового света в секции. При чрезвычайно малом времени отключе-ния, менее 1,5 млс, это устройство

Скорость и безопасность работы распределительного устройства

Первое промышленное применение стандарта МЭК 61850-9-2

обеспечивает почти моментальное гашение всех дуг. В техническом плане, бесперебойность работы данной системы и безопасность её оператора существенно увеличивают-ся при номинальном напряжении до 40,5 кВт и номинальной устойчивости при кратковременных токах (1 с) до 63 кА. С экономической точки зрения, расходы на простой и ремонт оборудо-вания, возникшие в результате короткого замыкания, будут суще-ственно снижены при одновременном улучшении бесперебойной работы системы.

Более подробную информацию см. в главе «S3 –

Скорость, безопасность и экономия» в «АББ

Ревю», # 2/2010, стр. 84–87.

Эпоксидная оболочка

Неподвижное контактное реле

Керамическая оболочка

Мембрана

Подвижный контактный штырь

Точка разрыва

Поршень

Цилиндр

Подвижная контактная сеть

Компактный генератор газа (MGG)

Вакуумное устройство

Привод


В обрабатывающей промышленно-сти информация, полученная с датчиков-реле, помогает макси-мально увеличить производитель-ность и обеспечить бесперебойную работу. Подача питания на датчики увеличивает стоимость и сложность монтажных работ. Тогда как аккуму-ляторы применяются для питания многих беспроводных устройств, их регулярная замена может свести на нет весь эффект, полученный от экономии, достигнутой благодаря широкому применению беспровод-ных датчиков. Эту проблему можно решить с помощью получения энергии из возобновляемых источ-ников (energy harvesting – EH).

EH представляет собой процесс улавливания и преобразования

энергии из внешних источников в ток для маломощных устройств. В число таких источников энергии входят тепловые процессы, солнечная энергия, а также колебания и кинети-ческая энергия из движущейся окружающей среды или движущихся деталей.EH может проявляться в форме дискретного процесса, но иногда система ЕН может вырабатывать больше энергии, чем фактически необходимо. В любом случае, необхо-димы резервные устройства (напри-мер, специальные улавливатели, первичные или вторичные источники тока) для случаев, когда устройство извлечения энергии не сможет обеспечить достаточное питание датчика. Также для подлинно автоном-ного обеспечения энергией требуется соответствующая система регулирова-ния питания.Проведённые компанией АББ исследо-вания позволили создать полностью автономный датчик температуры с использованием полностью интегри-рованной системы EH. В датчик были

Беспроводное и автономное устройство

Компания АББ запустила в эксплу-атацию распределительное устрой-ство с элегазовой изоляцией (GIS) серии ENK с номинальным напря-жением до 72,5 кВ. Основные характеристики включают умень-шенную на 25 процентов в сравне-нии с существующими образцами такой же производительности площадь основания и снижение потребляемого газа SF6 на 50 процентов.

В серии ENK нашла своё применение новая технология штепсельного выключателя и интеллектуальная технология вторичной коммутации на основе будущих сетевых требований. Другими отличительными особенно-стями являются упрощённое управле-

мер, в городах; возможна даже установка в закрытом помещении. Компания АББ также предлагает GIS для эксплуатации в открытом море и для мобильного применения. Компа-ния первой в мире запустила высоко-вольтное GIS в 1965 году и сегодня является глобальным лидером в технологиях высоковольтных GIS, установив и запустив в эксплуатацию свыше 20 000 ячеек по всему миру.

Компактное и безопасное для окружаю-щей среды распределительное устрой-ство с элегазовой изоляцией (GIS)

ние, например, легко доступный с лицевой панели операционный меха-низм и расположение трансформато-ров тока снаружи элегазового отсека.

Благодаря штепсельным подключени-ям к сборной шине и поставкам полностью собранных и протестиро-ванных производителем ячеек, ENK GIS можно легко и быстро смонтиро-вать на месте. Устройство предназна-чено для номинального напряжения до 72,5 кВ, и выпускается для номиналь-ного тока до 2500 А и тока короткого замыкания 40 кА в версиях, соответ-ствующих стандартам МЭК и IEEE.

Компактный и модульный характер GIS делает его идеальным для установки в ограниченном пространстве, напри-

встроены термоэлектрические генераторы, что также включает интел-лектуальное решение регулирования энергии, когда температура технологи-ческого процесса недостаточна для производства достаточного количе-ства энергии.

Более подробную информацию см. в главе

«Время собирать урожай» на стр. 47 этого номера

«АББ Ревю».


Начиная с момента первого пуска в эксплуатацию в 2004 году, система комплексной автоматизации 800xA компании АББ была внедрена более чем 6 000 заказчиков. Система повысила производитель-ность, обеспечила бесперебойное управление и была внедрена в различные системы. Версия 5.1, выпущенная в 2010 году, усовер-шенствована, имеет повышенную производительность и эксплуатаци-онную эффективность.

Основные преимущества версии 5.1 особенно отчётливо проявляются в инжиниринге и управлении изменени-ями. Инструмент анализа рабочих заданий позволяет оценивать прило-жение до его загрузки, показывая, помимо прочего, время задержки и конфликты. Подробный отчёт об изменении данных показывает изменения, внесённые в контрольные приложения и графики.

Новая версия также включает новый контроллер семейства AC800M, PM891, тактовая частота которого выше приблизительно в три раза (450 мГц), а память в четыре раза больше, чем у его предшественника, что делает его наиболее мощным кон-троллером в этом классе. Виртуали-зация снижает физическое количе-ство ПК примерно на 75 процентов, что существенно сокращает занимае-мую площадь и потребление электро-энергии, а также снижает требования к техническому обслуживанию.Усовершенствования функций управления тревожными сигналами

включает новый порядок размещения сигналов тревоги и особенности анализа, а также усовершенствования в функциональности обмена сигнала-ми тревоги. Также были усовершен-ствованы безопасность и коммуника-бельность.Эти изменения отражают лишь малую часть общих усовершенствований, внедрённых в систему 800xA с помощью версии 5.1.

Система 800xA версия 5.1 будет более подробно

рассматриваться в следующем номере «АББ

Ревю».

Система 800xA, версия 5.1

Новые и самые современные технологии помогают в разработке высокоинтегрированных и многоце-левых продуктов. Одно из таких устройств, автоматический выклю-чатель, помогает простому, гибкому и надёжному осуществлению проектов распределительных устройств среднего напряжения. Разработка этого разъединителя стала важным шагом в плане производительности, простоты (он характеризуется малым количе-ством высоконадёжных компонен-тов и может быть адаптирован к широкому диапазону просто и быстро устанавливаемого вспомога-тельного оборудования) и надёжно-сти при использовании в множестве приложений, а также безопасности и экономичности.

Кроме того, оно подходит для любой радиальной распределительной сети. Технология, использованная при разработке датчиков, помогла уменьшить габариты оборудования, увеличить производительность и повысить унификацию. Эта комбина-ция датчиков и IED сделала возмож-ным точный и надёжный мониторинг, а также регистрацию параметров сети одновременно с обеспечением лучшей защиты как для рабочего персонала, так и оборудования подстанции.Автоматический выключатель eVD4 полностью совместим со стандартом МЭК 61850 и системой горизонтально-го обмена информацией GOOSE, что, в свою очередь, гарантирует совме-стимость с новыми системами коммуникации подстанции.

Более подробную информацию смотрите в главе

«Интеллектуальная эволюция» на стр. 18 этого

номера «АББ Ревю».

Модульные выключатели

Выключатель eVD4 создан на основе вакуумного выключателя среднего напряжения с пружинным механизмом VD4 компании АББ, но в нём представ-лено специально разработанное интеллектуальное электронное устройство (IED) RBX615 на основе устройств серии Relion®, а также современные датчики тока и напряже-ния. Устройство RBX615 гарантирует общую защиту воздушных и кабельных линий, а также систем сборных шин распределительных подстанций.


Компания АББ уже обозначила своё присутствие на рынке инвер-теров, соединяющих крупные фотоэлектрические батареи с сетью. Но что же делать с неболь-шими устройствами, например, панелями, установленными на крышах жилых и служебных зданий? Новые инвертеры батарей компании АББ сочетают простой интерфейс и лёгкую установку с высокой производительностью и усовершенствованной защитой, предоставляя пользователям возможность не только внести вклад в удовлетворение своих собственных потребностей в электричестве, но и подавать питание на общую сеть.

Инвертер, установленный в доме, должен быть настолько прост, чтобы все члены семьи смогли им пользо-ваться. Инвертеры батарей производ-ства компании АББ поставляются с удобным в эксплуатации дистанцион-ным дисплеем. Это удобство проявля-ется, начиная с графического изобра-жения солнца, количество лучей которого соответствует яркости солнечного излучения, в любое время позволяя моментально проверить эффективность инвертера. Для экономных пользователей устройство

может отображать гистограммы, показывающие соотношение произ-водительности и времени.Третий уровень сложности создан для инженеров, и поэтому он отображает многочисленные технические детали. Инвертер батареи поставляется с самой современной защитой от перенапряжений и выполнен в самом компактном дизайне.

Инвертор батарей компании АББ будет

представлен более подробно в следующем

номере «АББ Ревю».

Электростанция на дому

Устройства ускоренной подзарядки на постоянном токе получают всё большее признание в качестве ключевого элемента питания для электромобилей. В отличие от устройств подзарядки, работающих на переменном токе, которые зависят от маломощного зарядного конвертера в автомобиле и приме-няются для зарядки в течение ночи, устройства ускоренной подзарядки на постоянном токе не требуют наличия зарядного конвертера в машине, поскольку он теперь входит в инфраструктуру зарядной под-станции, обеспечивая подзарядку множества электромобилей. Это позволяет осуществлять интенсив-ную подзарядку, не обременяя электромобиль тяжёлыми устрой-ствами, а его владельца – дополни-тельными расходами. Также данное устройство обладает дополнитель-ным преимуществом – различными средствами управления нагрузкой на электросеть.

Компания АББ сделала значительный

шаг вперёд в создании инфраструкту-ры для электромобилей, проведя в начале ноября 2010 года успешную сертификацию своего устройства ускоренной подзарядки на постоянном токе, совместимого со стандартом CHAdeMO (от французского Charge de Move, зарядка для движения), и установив первое пилотное устройство в Научном парке Гонконга в партнёр-стве с китайской компанией по производству электроэнергии China Light and Power. Стандарт CHAdeMO наиболее широко применяется в устройствах ускоренной подзарядки на постоянном токе. Он был принят многими крупными производителями транспортных средств, и первый массовый выпуск автомобилей, совместимых с устройством ускорен-ной подзарядки на постоянном токе, основанным на этом стандарте, начался в 2010 году, с запланирован-ным увеличением в 2011 и 2012 г. г.Компания АББ в ходе совместной работы с инженерами по сертификации в соответствии со стандартом CHAdeMO из японской энергетической

Устройство ускоренной подзарядки на постоянном токе компании АББ

компании Tokyo Electric Power Corporation смогла достичь этого поворотного момента. Благодаря совместной работе сертификация была проведена в рекордно короткие сроки, и пилотная установка была смонтиро-вана всего лишь двумя днями позже.Новое устройство ускоренной подза-рядки на постоянном токе компании АББ быстро доказало свою эффектив-ность в качестве основной станции ускоренной подзарядки для транспорт-ных средств, принимавших участие в Гонконгском параде электромобилей во время EVS-25 (Всемирного симпози-ума и выставки электромобилей) в городе Шэньчжэнь, быстро подзарядив семь подряд машин марки Mitsubishi «i MiEV», принадлежащих компании China Light and Power.

Более подробную информацию о подзарядке

электромобилей смотрите в главе «Заря новой

эры» на стр. 77 #2/2010 «АББ Ревю».


Подобно тому, как освещение влияет на восприятие фотографии, оно может повлиять и на создание атмосферы в помещении. Воору-жённая инновационной светодиод-ной технологией и множеством опций направления и интенсивно-сти освещения, а также теплоты и видимости цвета, компания Busch-Jaeger, в сотрудничестве со знаме-нитым архитектором и дизайнером Хади Тегерани (Hadi Teherani), разработала новую систему освещения как для жилых, так и для офисных помещений.

Busch-iceLight представляет собой модульную многоцелевую систему освещения, применяемую в качестве общего или точечного освещения для создания в помещении определённой

атмосферы. Имея столь же скромные размеры, что и обычный выключа-тель, и используя рамки такого же дизайна, как у выключателей и розеток, система может быть приспо-соблена к внешнему виду уже установленных электрических инсталляций.Осветительный элемент можно установить в пяти различных направ-лениях, чтобы точно определить направление света и луча. Для регулирования цвета имеются два типа настройки: тёплый или нейтраль-ный белый цвет. Кроме того, интен-сивность освещения может быть включена в режиме 100 или 25 процентов с помощью преобразова-теля на 350 мА / 5 Вт или преобразо-вателя на 40 мА / 0,15 Вт ночного освещения. Система Busch-iceLight гарантирует комфорт и безопасность освещения или подсветки информационных систем здания. Входящие в состав системы многочисленные высокока-чественные дизайнерские платы и

Система освещения Busch-iceLight

Обтекаемая роторная конструкция реактивного синхронного двигате-ля компании АББ ликвидирует потери мощности в клетке ротора, таким образом повышая эффек-тивность и компактность. Возмож-ность достижения стандартной мощности и уровня крутящего момента уже при подъёме темпе-ратуры класса А (60 К) увеличивает срок службы изоляции двигателя и продлевает срок службы подшип-ника или интервалы смазки.

Синхронные двигатели, управляемые регулируемыми приводами, повыша-ют эффективность использования энергии в ряде промышленных применений. Общим для большин-ства применений является необходи-мость максимальной производитель-

ности двигателя и максимально возможный срок службы, но без увеличения требований к техническо-му обслуживанию или количества отказов. Реактивные синхронные двигатели компании АББ (часто сокращённо именуемые SynRM) используют принцип магнитного сопротивления. Они более компак-тны, что помогает машиностроителям изготавливать оборудование меньше, легче и производительнее. Двигатель изначально более безопасен в эксплуатации, поскольку, в отсут-ствие электромагнита, не индуциру-ется противоэлектродвижущее напряжение, и защита преобразова-теля от перенапряжения становится излишней. Кроме того, возможность работы на высоких скоростях помогает ликвидировать элементы механической трансмиссии, такие как редукторы. Это, в конечном счёте, позволяет интегрировать двигатель и заряжающее оборудова-ние.

Более подробную информацию смотрите в

главе «Движение вперёд» на странице 56 этого

номера «АББ Ревю».

Экономичный двигатель

специальные пиктограммы делают её адаптируемой к требованиям заказчика.

Компания Busch-Jaeger входит в концерн АББ.

12 АББ Ревю 1|11

ЮККА ТОЛВАНЕН, ТЕРО АХОНЕН, ЮХА ВИХОЛАЙНЕН – В прошлом такие

инновации как лампочка и телефон часто изобретались отдельными людьми,

такими как Томас Альва Эдисон и Александр Грэм Белл. Сегодня инновации

всё ещё нуждаются в появлении изобретателей, но чаще всего сотрудниче-

ство и объединение знаний в различных областях бывают более необходи-

мы, чем отдельные яркие личности. В концерне АББ накопилось множество

технических знаний, и возможности использования глобального представи-

тельства компании сочетаются со знанием потребностей заказчиков из

самых разных стран мира. АББ также сотрудничает с компаниями и универ-

ситетами для развития новых технологий и услуг.

Сотрудничество помо-гает АББ проводить научно-исследователь-ские и опытно-кон-структорские работы

Инновации отCLEEN

13Инновации от CLEEN

По словам Томми Джекобсона (Tommy Jacobson), исполнительного директора программы CLEEN, компания стремится усилить открытое инновационное сотруд-ничество между компаниями, универси-тетами и научно-исследовательскими ин-ститутами. Программа работает в качестве сети, через которую участвую-щие в ней международные компании мо-гут проводить НИОКР, приобретая при этом новые знания быстрее и глубже, чем если бы они работали в одиночку.Джекобсон объясняет, что сотрудниче-ство является стратегически более важ-ным для компаний-участниц, когда они распределяют свои кадровые ресурсы в области НИОКР на несколько лет и хотят поделиться полученными результатами скорее, чем просто выделять средства на патентованные НИОКР, полученные пу-тём аутсорсинга. Такое участие промыш-ленности также гарантирует широкое взаимопроникновение знаний, иннова-ций и методик.Был найден эффективный путь развития программ: во-первых, компании опреде-ляют тему, приоритетную для будущих деловых операций, в которую они были бы готовы вложить свои средства и затем поделиться полученными результатами.

Затем университеты и научно-исследова-тельские институты реагируют на этот рыночный спрос своим собственными исследовательскими инициативами, соз-давая таким образом встречное предло-жение со стороны науки. Джекобсон от-мечает, что такая схема также экономит ресурсы университетов, поскольку им не нужно тратить время на заполнение зая-вок на проведение исследований, что, как правило, редко приводит к успеху, вместо этого получая незамедлительный, интерактивный и постоянный открытый диалог.Одно из наиболее важных направлений изучает энергетические рынки и «умные» электросети. Основной вклад в эту об-ласть вносят компании Nokia Siemens Networks и АББ. Другие темы повестки

дународного и межотраслевого сотруд-ничества в области энергии и экологических технологий. В качестве общества с ограниченной ответственно-стью, находящегося во владении транс-национальных компаний и наиболее ком-петентных национальных исследовательских институтов и универ-ситетов, CLEEN создает коллективную базу знаний и инновационных решений, технологий и услуг, превосходящую воз-можности НИОКР одной компании или даже отрасли [1]. Две трети из 44 акцио-неров программы CLEEN являются част-ными компаниями, включая лидеров рынка в области глобальных технологий, таких как АББ, Metso и Wartsila. Компания АББ является одним из основателей и ак-тивных участников программы CLEEN. Это предоставляет новые пути проведе-ния совместных исследований с другими организациями и научно-исследователь-скими институтами.Такой тип совместного предприятия так-же увеличивает шансы на получение внешнего финансирования, что часто бы-вает основной проблемой для крупных исследовательских консорциумов, про-водящих долгосрочные (например, от трёх до пяти лет) исследования. В Фин-ляндии основным правительствен-ным спонсором стало Финское Агентство финан-сирования техно-логий и инноваций (Tekes). Tekes спон-сирует консорциум компаний и научно-исследовательских институтов посред-ством своей новой инновационной программы. Такой тип поддержки позволяет внести изменения в саму структуру инноваций, заменив её с индивидуальной на открытую, основан-ную на сотрудничестве многих компаний.

Современное сотрудничество между компаниями и университетамиCLEEN является частью кардинального пересмотра всей инновационной систе-мы Финляндии. Для достижения этой цели финское правительство иницииро-вало создание шести центров по страте-гическим наукам, технологиям и иннова-циям, принадлежащих и управляемых исключительно промышленным и науч-ным сообществом. Именно программа CLEEN ставит акцент на проблемах энер-гии и окружающей среды.

К ак говорится в известной пого-ворке, «одна голова – хорошо, а две – лучше». В области инжи-ниринга и технологии, развитие

новых идей может потребовать разноо-бразия «ноу-хау» и, следовательно, со-трудничества между различными органи-зациями. Например, инновации в области повышения эффективности использова-ния энергии электрических систем без-условно требуют не только технической оценки, но также и экономической, и со-циальной экспертизы для того, чтобы по-лучить совершенно новые решения и ус-луги.Соответственно, требуется технический опыт в разных областях инжиниринга, что сделает необходимым участие не-скольких компаний. Поскольку одна единственная компания может быть ком-петентна на самом высоком уровне толь-ко в каких-либо определённых областях, сотрудничество между различными орга-низациями может дать возможность для развития новых идей и инновациям для различных производственных отраслей.

Объединение даёт основу для иссле-дованийДаже при том, что сотрудничество может быть вполне осуществимо, необходимо заранее установить ряд правил. Напри-мер, интеллектуальная собственность (IP) и финансовые вопросы должны быть чёт-ко установлены, начиная с самого перво-го дня с тем, чтобы гарантировать жизне-способное и взаимовыгодное сотрудничество.

Одним из решений перечисленных про-блем может стать создание общего ис-следовательского центра или сообще-ства для управления исследовательскими и конструкторскими работами. В Финлян-дии стратегический научный центр по технологиям и инновациям в области энергии и мониторинга окружающей сре-ды (CLEEN Ltd стал катализатором меж-

Центр CLEEN Ltd. был осно-ван с тем, чтобы стать ката-лизатором международного и межотраслевого сотрудни-чества в области энергии и экологических технологий.


ния энергии (EFEU) концентрирует свои усилия на развитии методов, способных рационализировать потребление энергии устройствами и системами. Целями дан-ной программы являются в первую оче-редь промышленность и сектор услуг, по-требляющие приблизительно 60 процентов всей произведённой электро-энергии. Основными целями исследова-тельской программы являются:– Разработка новых методов, бизнес-

процессов и систем позволяет достичь максимально рационального потребления электроэнергии

– Разработка новых методов, позволяю-щих более рационально потреблять электроэнергию при небольшом объёме инвестиций

– Создание национальной сети НИОКР для продвижения эффективного использования электроэнергии.

Поскольку данная тема касается многих областей науки, требуются опыт и актив-ное участие многих сторон – обрабатыва-ющей промышленности, производителей устройств, компаний по оказанию услуг, инжиниринговых фирм, университетов и исследовательских организаций. Вре-менные рамки исследовательских работ составляют от трёх до десяти лет до на-чала массового производства или оказа-ния услуг. Основными результатами ис-следований станут концепции инновационных систем, правила опреде-ления габаритов, методы замера и оцен-ки эффективности энергопотребления системы, а также решения и услуги, свя-занные с рационализацией потребления электроэнергии. Найденные в ходе ис-

– Будущая инфраструктура энергетиче-ских систем

– Интеллектуальное управление и эксплуатация «умных» сетей

– Интерфейс для потребителя– Разработка услуг поставки электро-

энергии и контроля над выбросами, ставших возможными благодаря применению технологии «умных» сетей.

Целью исследовательского консорциума по SGEM является развитие межнацио-нальных решений «умных» сетей, которые могут быть продемонстрированы в ре-альном секторе, используя финскую ин-фраструктуру НИОКР и инноваций. В то же время, благодаря преимуществам ин-терактивного международного исследо-вательского сотрудничества, можно бу-дет накапливать «ноу-хау» передовых информационно-коммуникационных тех-нологий (ICT) провайдеров «умных» сетей. В этой объединённой программе прини-мают участие представители промыш-ленности, научно-исследовательских ин-ститутов и университетов, см. рис. 1. Участники, представляющие промыш-ленный сектор, занимаются вопросами выработки и распределения электроэ-нергии, телекоммуникаций и информаци-онных технологий. Партнёры, представ-ляющие научное сообщество, представляют пять университетов и два научно-исследовательских института Финляндии (MIKES и VTT). Данный проект рассчитан на пять лет.

Рациональное использование энергииПрограмма рационального использова-

Компания АББ является одним из основателей и активных участников про-граммы CLEEN.

1 «Умные» сети и энергетические рынки (SGEM)

АББ Oy 6.3%

Aidon Oy 0.1%

Areva T&D Oy 1.4%

Empower Oy 4.5%

Emtele Oy 1.5%

Fingrid Oy 2%

Fortum Sahkonsiirto Oy 5.1%

ехнологический Университет Хельсинки 5.0%

Университет Куопио 1.0%

Технологический Университет Лаппеенранта 8.4%

MIKES 0.4%

Технологический Университет Тампере 12.5%

Университет Вааса 2.8%

VTT 9.2%

Helen Sahkoverkko Oy 1.8%

Nokia Siemens Networks Oy 29.9%

Tekla Oyj 3.7%

The Switch Engineering Oy 1.9%

Vantaan Energia Sahkoverkot

Oy 0.9%

Vattenfall Verkko Oy 1.8%

Партнёры в промышленности 60.8%

Партнёры по исследованиям 39.2%

Партнёры в промышленности 60.8%

Партнёры по исследованиям 39.2%

дня, включают, например, эффективное использование энергии и распределён-ные энергосистемы.

«Умные» электросети и энергетиче-ские рынки«Умная» электросеть поставляет потре-бителям энергию от многих поставщиков, используя двустороннюю цифровую тех-нологию и интеллектуальную систему мо-ниторинга, которая отслеживает поток электроэнергии в системе. «Умные» сети обеспечивают управляемые разнона-правленные потоки энергии как в мест-ном, так и в национальном масштабе.В сравнении с традиционными электро-сетями, «умные» сети способствуют бо-лее рациональному использованию и управлению распределённым производ-ством электроэнергии, а также рацио-нальному применению аккумуляторов электромобилей в качестве элемента распределительной электросети. Опре-делены следующие темы исследований в области «умных» сетей и энергетических рынков (SGEM):


ство позволило исследователям, работа-ющим в CDMC, стать участниками инновационной составляющей в ходе ис-следований и разработок новых продук-тов и услуг. В зависимости от конкретно-го проекта, результаты исследований могут также быть опубликованы в форме тезисов НИОКР и журнальных статей, или в виде заявок на патенты. Проекты исследований касались методов управ-ления VSD, повышения эффективности электродвигателей, а также управления и диагностики вращающихся механизмов, таких как центробежные насосы.Сотрудничество с другими компаниями и университетами часто приносит новые и даже инновационные идеи. Пример тако-го сотрудничества описан в статье «Пре-имущества учёта». Следовательно, не следует упускать возможность сотрудни-чества в области НИОКР, поскольку в та-ком режиме становятся возможными бо-лее обширные научно-исследовательские работы, и опыт в различных областях мо-жет быть использован при проведении исследований. Вне зависимости от того, достигаются ли такие результаты с помо-щью объединённых исследований со-вместно с другими компаниями и научно-исследовательскими институтами, или же посредством прямого сотрудничества с университетами или научно-исследова-тельскими институтами, выгоду получают все заинтересованные стороны.

Юкка Толванен

АББ Drives

Хельсинки, Финляндия

[email protected]

Теро Ахонен

Юха Вихолайнен

Технологический Университет Лаппеенранта, Лаппе-

енранта, Финляндия

[email protected]

[email protected]

Ссылки

[1] CLEEN Ltd., Финский Центр Энергетики и

Мониторинга окружающей среды. Информация

взята 24 августа 2010 г. с сайта http://www.cleen.

fi.

[2] Презентация Технологического Университета

Лаппеенранта Информация взята 24 августа

2010 г. с сайта http://www.lut.fi/en/lut/introduction/.

[3] Luukko, J. 2000. Прямое управление крутящим

моментом электродвигателей с вращающимся

электромагнитным полем – анализ и внедрение.

Диссертация, Технологический Университет

Лаппеенранта.

[4] Ahonen, T., Tamminen, J., Ahola, J., Viholainen, J.,

Aranto, N., Kestila, J. 2010. Расчёт рабочего

состояния насоса на основе моделирования.

Конверсия и управление энергией, 51,

лей и регулируемых приводов (VSD), которые являются важнейшим решением для рационализации потребления энер-гии вращающимися механизмами. Осно-ванный в 1969 году, LUT дает образова-ние и проводит исследования в областях инжиниринга и экономики. Университет делает акцент на рациональном потре-блении энергии и энергетическом рынке, стратегическом управлении , использо-вание IT технологиq для научных расчё-тов и моделирования промышленных процессов, а также знания о состоянии бизнеса и промышленности в России в связи с указанными областями [2].Поскольку университет располагает ис-пытательным оборудованием для насо-сных систем и электродвигателей, а так-же большим опытом рационализации потребления электроэнергии этими устройствами, LUT смог провести науч-ные исследования, которые также помог-ли осуществить НИОКР по созданию но-вой продукции компанией АББ. Прямое управление крутящим моментом (DTC) электродвигателей с вращающимся электромагнитным полем (PMSM) и оцен-ка характеристик потока без применения датчиков для центробежных насосов из-учались именно в LUT см. рис. 2. [3,4]. Итогом этих тем исследований стала по-дача нескольких заявок на патенты, на-учные публикации, а также прямое взаи-модействие с отделом НИОКР компании АББ при разработке приводов.В результате опыт, накопленный универ-ситетом Лаппеенранта в ходе исследова-ний, дал отличную базу для сотрудниче-ства с компанией АББ в создании электродвигателей и регулируемых при-водов. На практике, сотрудничество осу-ществлялось в Карельском Центре по приводам и двигателям (CDMC), входя-щим в факультет электротехники LUT. Для компании АББ такой подход позво-лил осуществлять выработку инноваци-онных идей совместно с научными иссле-

дователями, а также проводить испытания буду-щей продукции.Для CDMC такое сотрудничество явилось отличным источником тем для новых иссле-дований и возмож-ностью повышения компетентности в

области эффективного использования энергии электродвигателей, VSD и вра-щающихся механизмов. Это сотрудниче-

следований идеи будут впервые проде-монстрированы на практике, после чего они найдут своё применение в исследо-вательских работах с акцентом на прак-тическое применение.

Инновации через научные исследова-нияПомимо объединённых программ, пря-мое сотрудничество между промышлен-ностью и университетами может быть плодотворным источником инновацион-ных технологий. Часто сотрудничество между университетами и промышленно-стью предоставляет возможность взаи-мовыгодного сотрудничества, поскольку университеты могут предлагать интерес-ные темы для исследований, а изготови-тели продукции могут извлечь выгоду в форме инновационных НИОКР и тести-рования новых идей с помощью испыта-тельного оборудования, которым распо-лагают университеты. Этот вид сотрудничества был успешно опробован

компанией АББ и Технологическим Уни-верситетом города Лаппеенранта, Фин-ляндия (LUT) в области электродвигате-

2 Исследовательское оборудование для насосных систем в Университете Лаппеенранта

Прямое сотрудничество между промышленностью и универ-ситетами может быть плодот-ворным источником инноваций и новых технологий.


Преимущества учётаКомпания АББ и Технологический университет Лаппеенранта совмест-но работают над проектом учёта энергопотребления для создания более рациональных и надёжных насосных установок.

Осуществление проекта учёта энергии (EAP) Технологическим Университетом Лаппеенранта (LUT) было начато осенью 2008 года. Учёт электроэнер-гии представляет собой анализ энергопотребления в ходе конкретного процесса или конкретной системой рис. 1. В роли заказчиков выступают потребители электроэнергии преиму-щественно в области промышленно-сти. В процессе учёта внимание обращается прежде всего на поиск малоэффективного применения вращающихся электрических механиз-мов, в число которых зачастую входят и насосы.EAP финансируется компанией АББ и управляется Энергетическим Институ-том, являющимся подразделением LUT [1]. Данный проект стал результа-том долгосрочного сотрудничества между АББ и LUT, особенно в области исследований эффективности насо-сных установок. Кроме того, в ходе осуществления проекта были разрабо-таны специальные средства моделиро-вания с целью определения эффектив-ности энергопотребления насосными установками.

Учёт потребления электроэнергии в промышленном масштабеОсновной целью настоящего проекта явилось создание несложного метода учёта, выгодного для всех участников процесса. Цель такого учёта состоит в получении информации о потреблении электроэнергии системой в её текущем состоянии и в определении влияющих на него факторов. Следую-щим шагом стала идентификация экономических возможностей повы-шения эффективности системы и снижения себестоимости. Конечным результатом учёта стал план действий по рационализации потребления электроэнергии.

Значительные результаты исследо-ваний разработок для применения в насосных установкахПередовое применение регулируемых приводов (VSD) в диагностике центро-бежных насосов изучалось в LUT, начиная с 2005 года, когда точность функции расчёта потока без примене-ния датчиков, имеющейся в промыш-ленных приводах производства компании АББ, была протестирована в университетской лаборатории. Результаты испытаний были затем опубликованы в журнале о насосах «World Pumps» в 2005 и 2006 гг.Поскольку приводы VSD способны оценивать работу двигателя без датчиков на валу двигателя, их можно также использовать для оценки работы насоса или другой нагрузки на двигатель. Например, функция расчёта характеристик потока без применения датчиков, имеющаяся на промышлен-ных приводах АББ, использует внутреннюю скорость вращения и оценки мощности на приводном валу, чтобы проинформировать пользовате-ля о характеристиках потока в насосе без установки на него дополнительных датчиков. Эта функция может исполь-зоваться в тех случаях, когда требует-ся знать характеристики потоков в насосе, но она не может применяться для коммерческого учёта. Исследова-тельские проекты выполнялись также в целях поиска новых путей выявления кавитации1 и контроля эффективно-сти энергопотребления параллельно подсоединённых насосов. Эти иссле-дования позволили устранить основ-ные причины отказа насосов, после чего общее энергопотребление

Существенной экономии элек-троэнергии можно достичь с помощью пе-редовых регуля-торов скорости параллельно подсоединён-ных насосов.


Примечание

1 Кавитация – это образование пузырьков

газа из-за падения давления жидкости

ниже давления водяного пара. Ударная

волна, вызываемая быстрым разрушением

таких пузырьков, может повредить

поверхности.

насосных установок существенно упало.

Более надёжные и экономичные насосные установкиВыявление кавитации без примене-ния датчиков основано на интеллек-туальном анализе данных преобразо-вателя для определения ненормальной работы насоса. В случае с центробежными насосами, кавитация является одной из широко известных причин пониженной эффективности нагнетания и отказов насоса. Ввиду этого было разработа-

1 Процедура учёта энергии, разработанная LUT

Встреча с заказчиком

Сбор первичных данных

Сбор данных на месте

Анализ энергопотребления

Составление отчёта

Презентация и вручение отчёта

но несколько методов обнаружения кавитации. Тем не менее, такие методы, как правило, основываются на дополнительных измерениях, которые в ряде случаев снижают их практиче-скую осуществимость. Установка датчиков может оказаться дорогостоя-щей, а количество насосов, которые должны подвергнуться мониторингу, может быть настолько высоким, что разумно иметь систему автоматиче-ского контроля состояния только для нескольких приводов насоса. Поэтому

обнаружение кавитации без примене-ния датчиков может предоставить потребителю реальную выгоду, поскольку отпадает необходимость в дополнительных датчиках и монтажных работах [2].

В случае с параллельно подсоединён-ными насосами, интеллектуальное управление с помощью VSD может обеспечить существенную экономию благодаря пониженному потреблению энергии. Поскольку параллельно подсоединённые насосы часто управляются с помощью метода включения/выключения, существует огромный потенциал экономии посредством управления необходи-мым количеством центробежных насосов на более низкой скорости вращения по сравнению с традицион-ным методом включения /выключения. Это предположение было проверено испытательными замерами, выполнен-ными в LUT.Несколько реальных исследований были также проведены в отношении нагнетания промышленной неподго-товленной воды на электростанциях и муниципальных водопроводных станциях. Результаты показали, что существенная экономия энергии могла быть достигнута использованием передового регулируемого управления параллельно подсоединёнными насосами. Один пример того, как VSD может уменьшить конкретное энерго-потребление двумя параллельными рабочими центробежными насосами, показан на рис. 2. При регулируемом управлении обоими насосами, кон-кретное энергопотребление может быть минимизировано при сниженных объёмах потока [3].Результаты этих научно-исследова-тельских работ показывают преимуще-ства совместных научных исследова-ний и разработок: комбинируя опыт участников проекта, можно разраба-

тывать новые решения, позволяющие повышать эффективность и снижать издержки намного легче, чем действуя в одиночку.

Юкка Толванен

АББ Drives

Хельсинки, Финляндия

[email protected]

Теро Ахонен, Ниина Аранто

Технологический Университет Лаппеенранта,

Лаппеенранта, Финляндия

[email protected], [email protected]

Ссылки

[1] Aranto, N., Ahonen, T., Viholainen, J. (2009,

сентябрь 1417). Учёт энергии: Совместный

подход университета и АББ. Заседания 6-ой

международной конференции по эффектив-

ности энергопотребления в системах,

приводимых электродвигателями (EEMODS

’09). Совместный исследовательский Центр

Европейской Комиссии, Энергетический

Институт.

[2] Ahonen, T., Tamminen, J., Ahola, J., Kestilä, J.

(июнь 2010 г., 2224). Инновационный способ

выявления кавитации в центробежных

насосах с помощью преобразователя частот.

Заседания 7-ой международной конференции

по контролю состояния и технологиям

предотвращения отказов техники (CM and

MFPT 2010). Британский Институт Неразру-

шающих Испытаний и компания Coxmoor

Publishing.

[3] Viholainen, J., Kortelainen, J., Ahonen, T., Aranto,

N., Kestila, J. (Сентябрь 2009 г., 1417).

Эффективность энергопотребления

параллельных насосов, управляемых

регулируемым приводом (VSD). Заседания

6-ой международной конференции по

эффективности энергопотребления в

системах, приводимых электродвигателями

(EEMODS ’09). Совместный исследователь-

ский Центр Европейской Комиссии, Энергети-

ческий Институт.

2 Конкретное энергопотребление при различных методах управления потоком для двух параллельно подсоединённых центробежных насосов

0 200 400 600 800 1,000 1,200 1,400Ко

нкр

етн

ое

энер

гоп

отр

ебл

ени

е (к

Вт/

м3)

Объём потока (л/сек)

0,50

0,40

0,30

0,20

0,10

0,00

2 насоса1. Постоянный насос2. Насос, регулируемый

VSD

2 насосаНасосы 1 и 2 регулируются VSD

2 насосаРегулирование с помощью клапана

Поскольку VSD могут рассчиты-вать работу двигателя без датчиков на его валу, их можно также приме-нять для расчё-та работы насо-са или другой нагрузки на двигатель.



КАЛОДЖЕРО САЭЛИ, КАЛЛИСТО ДЖАТТИ, КАРЛО ДЖЕММЕ, ЭМИЛИА

ДАНЕРИ, КАРЛО СЕРЕДА – В течение последних десяти лет распределительные

сети среднего напряжения претерпели существенные приобразования. Концерн

АББ стоит во главе этой эволюции, предоставляя клиентам новые продукты,

такие как устройства защиты и управления Relion®, датчики тока и напряжения,

а также вакуумные выключатели с залитыми полюсами; все эти устройства

объединяет одно – самые современными технологии АББ. Концерн АББ

использовал эти технологии для создания автоматического выключателя цепи,

оснащённого встроенными датчиками, а также блоком защиты и управления

RBX615. Известный под названием eVD4, этот выключатель упрощает дизайн и

спецификацию распределительного устройства, гарантирует ускоренную

установку, более высокую надёжность, а также сниженные требования к

техническому обслуживанию и меньшие затраты в течение срока службы, в то

время как увеличенная стандартизация способствует созданию менее сложных

распределительных устройств и систем.

Выключатель eVD4 – простота и надёжность в распределительных сетях среднего напряжения

Интеллектуальная эволюция

19Интеллектуальная эволюция

ществляться через штепсель выключателя, подсоединённого к розет-ке низковольтной секции.Датчики, установленные на полюсах вы-ключателя, замеряют ток и напряжение, необходимые для защиты и управления силовых систем среднего напряжения. Технология, использованная для разра-ботки датчиков, позволила уменьшить размер оборудования, улучшить его ра-боту и повысить унификацию. Эта ком-бинация датчиков и IED (RBX615) позво-ляет осуществлять точный и надёжный мониторинг и регистрацию параметров

Блок защиты и управления RBX615 ос-нован на технологии Relion и является интеллектуальным электронным устрой-ством (IED), предназначенным для защи-ты, управления, замеров и мониторинга сетевых подстанций и промышленных электросетей. Этот блок устанавливает-ся на шасси выключателя eVD4 в каче-стве сменного модуля с помощью сты-ковочного устройства.Блок RBX615 гарантирует общую защи-ту воздушных и кабельных линий, а так-же систем сборной шины распредели-тельной подстанции; он подходит для любой радиальной распределитель-ной сети независи-мо от принципа за-земления. Доступ ко всем цифровым вводам и выводам (I/O) и к коммуни-кационным кана-лам, имеющимся в н и з к о в о л ьт н о й секции распреде-лительного устрой-ства, может осу-

В последнее время сети среднего напряжения (MV) демонстриру-ют прочные тенденции разви-тия новых технологий, которые

позволяют осуществлять разработку но-вых решений позволяющих удовлетво-рить настоящие и будущие потребности распределительных сетей. Например, стандарт МЭК 61850 поощряет иннова-ции в устройствах распределения энер-гии, предоставляя новые функциональ-ные возможности и новую архитектуру для распределительных устройств MV. Продукты, имеющие более высокую сте-пень интеграции, унификации компонен-тов и большую общую многофункцио-нальность, теперь доступны на рынке. Они не только повышают надёжность, но также уменьшают время и затраты, необ-ходимые для монтажа и обслуживания.Концерн АББ первым внедрил многие из числа этих новых технологий в процессе своих поисков и разработок новой про-дукции и серий продуктов для оборудо-вания распределения электроэнергии в основной сети среднего напряжения.Одним из таких продуктов является ин-новационная серия автоматических вы-ключателей eVD4 (см. рис. в начале гла-вы), была разработана специально для простых, гибких и надёжных проектов распределительных устройств среднего напряжения, начиная с составления технического задания, проведения тен-дера, инжиниринга, строительства и за-канчивая монтажом, пуском в эксплуа-тацию, испытаниями и техническим обслуживанием.В серии eVD4 сочетаются инновацион-ные технологии концерна АББ в области механического электронного оборудо-вания, а также датчиков. Результатом всего этого стало высокоинтегрирован-ное устройство, в котором возможности измерений, защиты и управления соче-таются с возможностью отключения первичного питания, переключения и прерывания.

Инновации и прочная основа для апробированной технологииВыключатель eVD4 базируется на ваку-умном выключателе среднего напряже-ния с механическим приводом АББ VD4, новыми устройствами серии Relion® и сенсорных технологий рис. 1. После пу-ска в эксплуатацию в 2003 году, выклю-чатель VD4 был установлен на более чем 250 000 устройствах по всему миру, и он характеризуется повышенной надёжно-стью и многофункциональностью в ши-роком диапазоне применений.

Линейка инновационных ав-томатических выключателей eVD4 была разработана спе-циально для простых, гибких и надёжных проектов рас-пределительных устройств среднего напряжения.

1 Программное обеспечение PCM600 совместимо со стандартом МЭК 61850, что упрощает разработку интеллектуальных электронных устройств (IED) и способствует обмену информацией с другими инструментами, совместимыми с МЭК 61850.

a

b

c

d

j

e

f

g

h

i

k

l

m

n

o p qa Полюс с вакуумным прерывателем b Сигналы релес Датчик: пояс Роговского или комбидатчикd Тележка для выдвижного выключателяе Реле защиты и управления RBX615f Кнопка открытияg Рычаг зарядки рабочего механизмаh Механическое сигнальное устройство открыто/

закрытоi Штепсель вспомогательных цепей (только для

выдвижного выключателя)k Кнопка закрытияl пружинное механическое сигнальное

устройство заряжено/разряженоm Механический счётчик срабатыванийn Механический управляющий механизмо Убираемый и выдвижной редукторный

электродвигатель (только для выдвижного выключателя)

р выключатель открыто-замкнутого датчика положенияq Пружинный датчик положения заряжено/разряжено


конадёжных комплектующих и возмож-ность адаптации к широкому диапазону легко и быстро устанавливаемого до-полнительного оборудования) и к безо-пасности (полюса закреплены на проч-ной металлической конструкции, рабочий механизм также надёжно за-креплён).

Рабочий механизм

В состав рабочего механизма входит пружина, необходимая для накопления энергии, требуемой для активации меха-нического открытия и закрытия, а также специальные блокировки. Нормальная работа требует постоянного наличия на-копленной энергии, которая может (в случае с eVD4) быть сравнительно низ-кой из-за легковесных контактов преры-вателя и сниженного хода контакта при переключении. Всё это снижает износ системы и делает выключатель практи-чески не требующим технического об-служивания. В течение срока службы выключателя eVD4 возможны до 30 000 операций открытия/закрытия.

Датчик положения

Датчики положения позволяют выклю-чателю eVD4 с высокой точностью опре-делять положение его движущихся ча-стей. Например, эти датчики определяют открытое или закрытое положение вы-ключателя, заряженность/разряжен-ность пружины и положение тележки. Затем эта информация направляется на реле RBX615 по специальной линии про-водной связи.

Усиленный штепсель вспомогательной цепи

Штепсель выключателя eVD4 должен обеспечивать надёжное подсоединение не только к вспомогательным цепям вы-ключателя, но и к релейным соединени-ям, т.е. к коммуникационным каналам, сигналам ввода/вывода и соединениям датчиков остаточного тока рис. 3. Это достигается с помощью усиленного штепселя с 58 штырями и отдельными коммуникационными каналами (на рисун-ке можно увидеть два электрических Ethernet-порта в правой части штепселя).Выключатель eVD4 был спроектирован таким образом, чтобы полностью реали-зовать потенциал стандарта МЭК 61850 и технологии горизонтального обмена информацией между устройствами под-станции (GOOSE), включая горизонталь-ную высокоскоростную связь между реле с помощью межпанельной шины. Тем не менее, при необходимости воз-можно традиционное проводное двухто-

2 Сравнение полностью автоматического выключателя eVD4 со стандартным выключателем цепей среднего напряжения на всех этапах жизненного цикла продукции

СпецификацияВысокий уровень управляемости eVD4 снижает требования к спецификации.Другими словами:– Отсутствует необходимость определения

каких-либо параметров датчиков; номинальные значения датчиков выводятся из номинальных значений выключателя, в то время как тип датчика (только для выключателей тока или комбинированных выключателей тока и напряжения) выводится из уровня защиты.

– Все предварительные конфигурации блока RBX615 могут быть установлены таким образом, чтобы наилучшим образом соответствовать требованиям конкретной электросети.

Управление поставкамиДля обеспечения поставок комплектного решения распределительных устройств среднего напряжения один полный заказ и один уникальный клиентский номер подходят намного больше, чем множество разрозненных заказов.

Быстрая доставкаВысокотехнологичная линия выпуска продукции в сочетании с унификацией комплектующих позволяет концерну АББ гарантировать для eVD4 такое же время доставки, как и для стандартных автоматических выключателей.

МонтажВыключатель eVD4 является устройством, готовым к монтажу. Поскольку датчики интегриро-ваны в комплектный блок, отпадает необходи-мость в дополнительной проводке или иных работах; вся проводка реле моментально подсоединяется штепселем автоматического выключателя.

Облегчение работ и снижение времени, затрачиваемого на инжиниринг и проводку В качестве интегрированного решения, значительная часть проводки распределительного устройства встроена в автоматический выключа-тель, что делает продукт более унифицированным. Количество проводки, предназначенной для низковольтной секции, ограничено, что суще-ственно снижает риск ошибок при монтаже, что, в свою очередь, делает монтаж всего распредели-тельного устройства и быстрее, и проще.

Облегчение работы при заводских приёмочных испытаниях (FAT) наряду с повышенными безопасностью и надёжностьюПолностью протестированное и интегрированное решение с меньшим количеством проводки в распределительном устройстве снижает объём работ, необходимых для проведения обязательных FAT.

Простое обслуживание, оптимизация резерва запчастей и сниженное среднее время ремонта (MTTR) Выключатель eVD4 собран из стандартных комплектующих, применяемых в широком диапазоне изделий. Кроме того, лишь с небольшими изменениями, все модели автомати-ческих выключателей eVD4 используют те же комплектующие, следовательно, необходимо иметь в запасе лишь небольшое количество запчастей. Всё вспомогательное оборудование является широко доступным и простым в обслуживании. Это интегрированное решение даёт возможность быстрого восстановления системы в случае отказа, и все ключевые компоненты распределительного устройства могут заменяться посредством замены только лишь выключателя eVD4.

Блок защиты и управления RBX615 интегри-рован в eVD4; он осуществляет функции монито-ринга, управления и диагностики.

сети, одновременно обеспечивая более совершенную защиту персонала и обо-рудования подстанции.Преимущества полностью автоматиче-ского выключателя eVD4 по сравнению со стандартным выключателем среднего напряжения на всех этапах жизненного цикла продукции приведены в рис. 2.Выключатель eVD4 характеризуют са-мые общие номинальные значения вы-ключателей среднего напряжения: Но-минальное напряжение до 17,5 кВ; номинальный ток до 2500 A; отключае-мая мощность до 40 кA. Реле RBX615 поставляется с пятью различными уров-нями защиты, каждый из которых соот-ветствует определённому набору защит-ных функций, требующих измерения как тока, так и напряжения. Поскольку реле встроено в выключатель eVD4, дизайн реле был оптимизирован таким обра-зом, чтобы оно смогло осуществлять функции мониторинга, управления и ди-агностики выключателя eVD4.

Обзор конструкции выключателя eVD4Дизайн нового вакуумного выключателя eVD4 превосходит требования к просто-те устройства (его характерной чертой является небольшое количество высо-


блоков. Изменение параметров логики защиты и управления, заданных при предварительной конфигурации, также может выполняться через интерфейс оператора (HMI), расположенный на фронтальной панели реле рис. 6.

В левой части этого интерфейса отобра-жается однолинейная схема (SLD), а в правой части показано меню реле. SLD можно редактировать с помощью дис-плея графического редактора в PCM600. Отображаемые символы динамически привязаны к соответствующим объек-там (например, автоматическим выклю-чателям, тележке выключателя, пере-ключателю заземления, разъединителю линии), и их положение отображается на дисплее. Кроме того, положение указан-ных объектов можно легко контролиро-вать с HMI.Ethernet-порт на HMI упрощает двухто-чечное соединение между реле и ПК. Обладая таким соединением, HMI авто-матически отображается в интернет-браузере, позволяя оператору изменять параметры защитных функций, а также загружать регистрационные данные аварийных событий и некоторые другие данные. Отсутствует необходимость установки дополнительного программ-ного обеспечения на ПК оператора для обеспечения связи с устройством защи-ты и управления. Два канала связи по-зволяют осуществлять связь между реле и технологической системой. Не-смотря на то, что RBX615 совместимо со стандартом МЭК 61850, в нём предус-мотрен протокол связи Modbus® TCP/IP. В будущем станут возможны и другие протоколы связи.

чечное подсоединение к реле RBX615 через 12 цифровых выводов штепселя.Для простоты монтажа eVD4 была спро-ектирована специальная панельная ро-зетка.

RBX615 и HMI

RBX615 представляет собой реле обще-го назначения на основе технологии Relion® концерна АББ, и оно спроекти-ровано специально для применения в выключателе eVD4 рис. 4. Форма и рас-положение штырей реле были оптимизи-рованы таким образом, чтобы обеспе-чить простое штепсельное соединение с выключателем с применением специ-ального стыковочного устройства.Реле поставляется с пятью различными уровнями защиты предварительной кон-фигурации, три из которых предназна-чены для присоединения защиты, а оставшиеся два направлены в основном на защиту двигателя рис. 5. Предвари-тельная конфигурация может быть пол-ностью настроена в соответствии с тре-бованиями посредством PCM600 1, интеллектуального электронного ин-струмента управления и защиты, а также инструмента конфигурации приложения (ACT), графического инструмента, по-зволяющего легко и просто модифици-ровать логику приложения. Для соответ-ствия любым требованиям подстанции предусмотрены несколько логических

В выключателе eVD4 полностью реализован потен-циал стандарта МЭК 61850 и тех-нологии GOOSE, включая горизон-тальную высоко-скоростную связь между реле

3 Усиленный штепсель вспомогательной цепи выключателя eVD4 4 Реле RBX615 основано на технологии Relion® корпорации АББ


1 ПО PCM600 совместимо со стандартом МЭК

61850, упрощающим инжиниринг IED и

обеспечивающим обмен информацией с

другими инструментами, совместимыми с

МЭК 61850.


сыщения и гистерезисных явлений, поскольку в поясе Роговского нет желе-за, что, в свою очередь, гарантирует превосходную линейность. Датчики тока для измерения на выходе выключателя eVD4 сохраняют линейность вплоть до максимального значения, установленно-го для защитных порогов.Датчик напряжения использует ёмкост-ный делитель для показа напряжения рис. 9. Другими словами, цилиндриче-ский металлический электрод встраива-ется в датчик лицевой стороной к вводу выключателя. Сигнал на выходе – это напряжение, прямо пропорциональное первичному напряжению. Как и в случае с датчиками тока, датчики напряжения характеризуются отсутствием ферроре-зонансных явлений и нечувствительно-стью к влиянию постоянных составляю-щих тока.Преимущества использования интегри-рованных датчиков в автоматическом выключателе eVD4 включают линейные измерения и универсальную защиту, безопасность, небольшое потребление энергии, и, наконец, экологичность.

Линейные измерения и многофункциональная

защита

Благодаря отсутствию резонансных и гистерезисных явлений датчики пока-зывают хорошие динамические харак-теристики и сохраняют линейность вплоть до самых высоких токов и на-пряжения. В результате они гарантиру-ют высокий уровень защиты и позволя-ют проводить многосторонний анализ ошибок.

Безопасность

Номинальное значение переданного

ДатчикиВ автоматических выключателях eVD4 применяется новейшая и наиболее пере-довая технология изготовления датчи-ков. На eVD4 могут быть установлены два типа датчиков - датчики тока (осно-ванные на принципе пояса Роговского) и объединённый датчик тока и напряже-ния, известный как комбидатчик рис. 7. Выбор датчика зависит от уровня защи-ты реле RBX615.Датчики применяются для:– Преобразования токов и напряжения

большой силы в первичной цепи электросети в соответствующий сигнал для оборудования вторичной цепи (то есть для реле защиты RBX615)

– Изоляции первичной и вторичной цепи друг от друга

– Защиты оборудования вторичной цепи от вредного влияния токов и напряже-ния большой силы, которые могут иметь место в первичной обмотке во время короткого замыкания в сети.

Весь диапазон токов и напряжений ох-ватывается лишь тремя датчиками, дей-ствие которых распространяется вплоть до максимального номинального тока и напряжения автоматического выключа-теля. Разомкнутая цепь или короткое за-мыкание в сигнальном кабеле не опасны и не вызовут повреждений.Датчик тока состоит из поясов Рогов-ского, однородно намотанных на контур замкнутой формы с постоянным попе-речным сечением и без ферромагнитно-го сердечника рис. 8. Напряжение, вы-зываемое в обмотке (переданный сигнал), прямо пропорционально изме-нению в сквозном токе. Эти датчики ха-рактеризуются отсутствием эффекта на-

В выключателе eVD4 применяются два типа датчиков: датчики тока (на основе принципа пояса Роговского) и комбинирован-ные датчики тока и напряжения, из-вестные как ком-бидатчики.

5 Реле RBX615 может иметь пять уровней защиты предварительной конфигурации

Описание Конфигурация

Ненаправленная максимальная токовая защита и ненаправленная защита от замыкания на землю

Линия 1 (F1)

Ненаправленная максимальная токовая защита и ненаправленная защита от замыкания на землю основаны на замерах фазового напряжения

Линия 2 (F2)

Направленная максимальная токовая защита и направленная защита от замыкания на землю основаны на замерах фазового напряжения, защиты от недостаточного и повышенного напряжения

Линия 3 (F3)

Защита двигателя основана на измерении тока Двигатель 1 (M1)

Защита двигателя основана на измерении тока и напряжения

Двигатель 2 (M2)

6 Параметры защиты и логики управления, установленные в конфигурациях, можно изменить с помощью интерфейса оператора реле

a Функциональные клавиши применений

b Закрытиеc Открытиеd Выходe Налевоf Внизg Вверхh Направоi Ключj Подтверждениеk Местный/Удалённый

режимl Клавиша страницы

светодиодовm Отменаn Однолинейная

схемаo Меню

b

c

d e f g h i j k

a

l

m

no


шагом вперёд в плане эффективности, простоты, надёжности, безопасности и экономичности.

Калоджеро Саэли

Каллисто Джатти

Карло Джемме

Эмилия Данери

Карло Середа

АББ Power Products

Дальмине, Италия

[email protected]

[email protected]

[email protected]

[email protected]

[email protected]

Иллюстрация

На иллюстрации изображён автоматический

выключатель eVD4 производства концерна АББ с

операторским интерфейсом для распределитель-

ных устройств среднего напряжения.

номия способствует увеличению про-должительности срока службы обору-дования; в масштабе всей сферы коммунальных услуг такая экономия является весьма ощутимой.

Экологичность

При изготовлении датчиков требуется совсем немного сырья; потребление энергии почти символическое.

Адаптация распределительных устройств среднего напряжения к требованиям завтрашнего дняНовый автоматический выключатель eVD4, разработанный концерном АББ, является ключевым элементом при соз-дании простого, надёжного и безопасно-го распределительного устройства сред-него напряжения. Полное соответствие новому стандарту МЭК МЭК 61850 и функциональным требованиям GOOSE обеспечивает совместимость с новыми системами связи подстанций. Весь срок службы распределительного устройства оптимизируется с помощью внедрения выключателя eVD4. Начиная с упрощён-ных спецификаций и процедуры заказа и заканчивая решительно упрощённой конструкцией распределительного устройства в плане инжиниринга, про-кладки кабелей и проведения испыта-ний, а также пуском в эксплуатацию и обслуживанием панели, автоматический выключатель eVD4 является важным

сигнала достаточно низко для того, что-бы не представлять опасности как для человека, так и для вспомогательного оборудования, даже когда в первичной обмотке имеют место самые сильные токи и самое высокое напряжение. Раз-рыв или короткое замыкание в сигналь-ном кабеле не представляют опасности и не станут причиной повреждения.

Небольшое потребление энергии

Эффективность датчика достаточно высока по сравнению с эффективно-стью измерительных трансформато-ров. Кроме того, отсутствуют потери тока во вторичной проводке. Эта эко-

7 Выбор датчика тока или датчика напряже-ния зависит от уровня защиты реле

Автоматический выключатель eVD4 является важным шагом вперёд в плане эффектив-ности, простоты, надёжности, без-опасности и эко-номичности.

8 Датчики тока основаны на принципе пояса Роговского

Пояс Роговского

Ip

Vout

Передаваемый сигнал является напряжением:

Для синусоидального тока при условии постоянного состояния напряжение равно:

Во всех случаях, даже если ток первичной цепи не является синусоидальным, сигнал, воспроизводящий форму сигнала фактического тока первичной цепи, получается с помощью интегрирования передаваемого сигнала.

Сигнал представляет собой синусоидальное напряжение, пропорциональное току, со сдвигом фазы на 90° (опережение по фазе).

Vout

= M di

P

Vout

= M· j ·w · Ip

dt

9 Датчики напряжения используют ёмкостный делитель для отображения напряжения

Ёмкостный делитель напряжения

C1

C2

Vp

Vout

Сигнал, передаваемый с ёмкостного делителя напряжения.Передаваемый сигнал равен:

Во всех случаях, передаваемый сигнал воспроизводит форму сигнала фактического тока первичной цепи.

(ёмкостный делитель)


РЕНАТО ПИККАРДО, АННУНЦИО РЕГАНТИНИ, ДАВИДЕ КАТТАНЕО, ЛУЧИАНО

ДИ МАЙО – Атомная электростанция должна быть в состоянии справляться с

огромным количеством энергии при условии абсолютной безопасности. Всеми

функциями системы нужно управлять с абсолютной надёжностью и гарантиро-

ванной работоспособностью. Используемое оборудование должно в течение

длительного времени не снижать работоспособности из-за экстремально

высокой температуры, давления, влажности, радиации и вибрации, включая

землетрясения. Концерн АББ разработал UniGear zS1, сертифицированное

распределительное устройство среднего напряжения, которое соответствует

всем важнейшим требованиям.

Сертифицированное распределительное устройство для АЭС является важнейшим звеном цепи распре-деления энергии

Сейсмостойкий выключатель

25Сейсмостойкий выключатель

установить расчётный срок службы обо-рудования с существенными механизма-ми старения. Расчётный срок службы – это промежуток времени до наступления проектного события, при котором обо-рудование доказало своё соответствие требованиям проекта для определённо-го режима работы [1].

Климатические квалификационные испыта-

ния (цикличное влажное тепло)

Цель климатических квалификационных испытаний состоит в том, чтобы дока-зать, что распределительное устройство продолжает выполнять свои функции обеспечения безопасности до, во время и после изменения влажности и темпе-ратурных условий окружающей среды. В ходе таких испытаний определяется при-годность оборудования в условиях вы-сокой влажности, совмещённой с ци-клическими температурными

изменениями и образованием конденса-та на поверхности проверяемого обору-дования. В распределительных устрой-ствах среднего напряжения (MV) конденсат, образовавшийся во время температурно-влажностных циклов, мо-жет ухудшить изоляционные свойства.

нальных возможностей каждого компо-нента в самых сложных условиях окружающей среды в плане температу-ры /влажности и после теплового /ради-ационного процесса старения.В соответствии со стандартами как IEEE, так и МЭК, для оценки компонентов си-стем могут применяться следующие ме-тоды (по отдельности или вместе):– Типовые испытания: Объектом типовых

испытаний является выборочный образец оборудования, включая интерфейсы, подвергающиеся серии испытаний, моделирующих влияние различных механизмов старения в нормальном режиме эксплуатации.

– Производственный опыт: Эксплуата-ционные данные по испытываемому оборудованию или по оборудованию схожего дизайна, успешно работавше-му в известном рабочем режиме, могут применяться при квалификаци-онных испытани-ях другого оборудования в таких же или менее суровых условиях.

– Анализ: Квали-фикация с помощью анализа требует логической оценки или математической модели оборудо-вания.

Снижение работо-способности с течением времени наряду с экстремальными высокими температу-рой, давлением, влажностью, радиацией и вибрацией, может ускорить отказы прошедшего квалификационный отбор оборудования, обусловленные общими причинами. В связи с этим необходимо

Л юди, работающие над проек-тами атомной энергетики, зна-ют, что внимание к деталям и использование только серти-

фицированного оборудования крайне важны: никогда нельзя запускать АЭС, пока не будет проверен и сертифициро-ван каждый компонент системы безо-пасности станции. Детальные параме-тры сертификации указаны в стандартах IEEE США1 и европейской МЭК2.

Квалификационный процессКаждый поставщик комплектующих для цепи безопасности атомной электро-станции (АЭС) должен пройти опреде-лённый квалификационный процесс, цель которого состоит в том, чтобы про-верить и сертифицировать стопроцент-ную надёжность компонентов системы.

Часть оборудования АЭС, возможно, должна будет работать в самых тяжёлых условиях. Именно поэтому основная цель квалификационного процесса со-стоит в том, чтобы проверить работо-способность в различных и чётко опре-делённых экологических условиях.Критический сценарий - возможное землетрясение: система должна быть в состоянии бесперебойно функциониро-вать во время так называемого умерен-ного землетрясения (OBE) или, в случае очень сильного землетрясения, она должна отключить реактор; этот случай известен как «максимальное расчётное землетрясение, требующее отключения реактора» (SSE). Дополнительным тре-бованием является проверка функцио-

Система должна быть в со-стоянии бесперебойно функ-ционировать во время так называемого умеренного землетрясения (ОВЕ), или, в случае очень сильного землетрясения, она должна отключить реактор.

1 Пример требуемого спектра ответа (RRS)

Частота (Гц)

10 20 30 40 50

3

2

1

0

Уск

ор

ени

е (g

)


1 Институт инженеров по электротехнике и

электронике

2 Международная Электротехническая

Комиссия


рение, при котором определённые кон-струкции, системы и компоненты, необ-ходимые для сохранения целостности защитного барьера теплоносителя реак-тора под давлением, а также возмож-ность отключения реактора и его под-держания в безопасном остановленном состоянии, сохраняют свою функцио-нальность.

Квалификационные испытания на электро-

магнитную совместимость (EMC)

Оборудование должно также пройти квалификационные испытания для того, чтобы обеспечить полную безопасность в случае высокой электромагнитной на-грузки в случае аварийных ситуаций. Два типа испытаний, воспроизводящих фактическую конфигурацию контроль-но-измерительных приборов и автома-тики (КИПиА), установленных на обору-довании первичной цепи, включая проводку, осуществляются на всём име-ющемся оборудовании.Испытания на помехоустойчивость: Ква-лификационные испытания на электро-магнитную совместимость (EMC) прово-дятся с целью сверить уровень помехоустойчивости оборудования к электромагнитным возмущениям в ши-роком диапазоне частот.Испытание на объём излучения: Элек-тромагнитные излучения, испускаемые и проводимые проводкой на каждом бло-ке электрического оборудования, заме-ряются по широкому спектру.Всесторонние испытания на работоспо-собность осуществляются для всех функций КИПиА, таких как функции за-щиты или управления, интегрированные в одну единицу оборудования. Процесс квалификационных испытаний про-граммного обеспечения проводится в соответствии со стандартами МЭК, спе-циально разработанными для АЭС; они указаны в МЭК 60780 [4].

Ответ концерна АББВ распоряжении концерна АББ имеются оборудование, опыт и технические сред-ства обеспечения соответствия требо-ваниям, предъявляемым к АЭС. Экспер-тно-консультационный центр концерна АББ, расположенный в г. Дальмине, Ита-лия, предоставил несколько образцов распределительного устройства средне-го напряжения для АЭС Европы: Тиханж и Дуль в Бельгии, Чернавода в Румынии, Оскарсхамн в Швеции и Лейбштадт в Швейцарии. Для участия в каждом из этих проектов изделия АББ прошли скрупулёзные квалификационные испы-

Квалификационные испытания сейсмическо-

го влияния и воздействия воздушного

транспорта

Стандарты МЭК 60980 [2] и IEEE 344 [3] представляют два основных образца для сейсмических квалификационных испытаний безопасности электрическо-го оборудования АЭС. Эти стандарты не определяют спектры ответа, поскольку они могут варьироваться в зависимости от географического района и конструк-ции здания. Следовательно, такие спек-тры, как правило, определяются в техни-ческой проектной документации.Сейсмические испытания с помощью акселерометра обычно состоят из трёх-осных независимых многочастотных ис-пытаний, проводимых на базе регистра-ции ускорений во времени (графики ускорения в качестве функции времени), искусственно синтезированных из кон-кретно требуемого спектра ответа (RRS). RRS принимает во внимание характери-стики географического района и несу-щую конструкцию здания рис. 1. Метод акселерограмм считается наилучшим способом моделирования сейсмической нагрузки во время квалификационных испытаний оборудования.

Во время сейсмических испытаний модели-

ровались следующие землетрясения:

OBE/S1: землетрясение порождает ускорение, при котором узлы, предна-значенные для бесперебойной работы АЭС без риска для общественной безо-пасности, сохраняют свою функцио-нальность.SSE/S2: землетрясение порождает уско-

Экспертно- консультационный центр концерна АББ, расположен-ный в г. Дальмине, Италия, предоста-вил несколько об-разцов распреде-лительного устройства сред-него напряжения для АЭС Европы: Тиханж и Дуль в Бельгии, Чернавода в Румынии, Оскарсхамн в Швеции и Лейбштадт в Швейцарии.

2 Цикл климатических испытаний АЭС в г. Дуль

Цикл 6

Ta°C

/Ur%

100

95

90

85

80

75

70

65

60

55

50

45

40

35

30

25

20

3/2

/09

9.1

0 A

M

3/2

/09

10

.10

AM

3/2

/09

11

.10

AM

3/2

/09

12

.10

AM

3/2

/09

1.1

0 P

M

3/2

/09

2.1

0 P

M

3/2

/09

3.1

0 P

M

3/2

/09

4.1

0 P

M

3/2

/09

5.1

0 P

M

3/2

/09

6.1

0 P

M

3/2

/09

7.1

0 P

M

3/2

/09

8.1

0 P

M

3/2

/09

9.1

0 P

M

3/2

/09

10

.10

PM

3/2

/09

11

.10

PM

4/2

/09

12

.10

AM

4/2

/09

1.1

0 A

M

4/2

/09

2.1

0 A

M

4/2

/09

3.1

0 A

M

4/2

/09

4.1

0 A

M

4/2

/09

5.1

0 A

M

4/2

/09

6.1

0 A

M

4/2

/09

7.1

0 A

M

4/2

/09

8.1

0 A

M

4/2

/09

9.1

0 A

M

Ur% max

Ur% min

Ta

Ta

Время

Ur%

Ur% max

Ur% min

Ta

Ta max

Ta min

27Сейсмостойкий выключатель

состоящее из 18 панелей Uni-Gear ZS1 с номинальными значениями 12 кВ / 1600 A / 50 кА, оснащённое изолированными выключателями АББ HD4 SF

6. Оборудо-

вание АББ применяется для распреде-ления энергии, вырабатываемой дизель-ными аварийными генераторами.Поставленное оборудование было про-тестировано в соответствии со стандар-тами IEEE 323 и 344 и техническим за-данием заказчика, включавшим требование о проведении климатиче-ских и сейсмических испытаний рис. 2.

Опытное распределительное устройство было идентифицировано таким обра-зом, чтобы включать все характеристи-ки поставляемого оборудования. Про-

ZS1 с целью соответствия требованиям всех заказчиков. Uni-Gear ZS1 представ-ляет собой сочетание консолидирован-ных решений и инновационных компо-нентов от АББ. Распределительное устройство среднего напряжения подхо-дит для установки в закрытом помеще-нии. Металлические перегородки отде-ляют ячейки одну от другой и части, находящиеся под напряжением, закры-ты воздушной изоляцией. Диапазон ап-паратуры для распределительного устройства UniGear ZS1 является самым комплектным из числа всех имею-щихся на рынке: он включает ваку-умные и газовые автоматические выключатели и ва-куумные контакто-ры с плавкими предохранителя-ми.

Промышленное применениеАЭС Дуль является одной из двух крупных атомных электростанций Бельгии. Бельгий-ская энергетиче-ская корпорация Electrabel, входя-щая в концерн GDF SUEZ, является её крупнейшим участником. В 2009 году концерн АББ поставил распределитель-ное устройство среднего напряжения,

тания. Это процесс подтвердил работо-способность оборудования в случае сейсмических событий и в суровых усло-виях окружающей среды.Помимо собственных изделий, лабора-торий и «ноу-хау», концерн АББ также может положиться на специализирован-ное партнёрство с расположенными по-близости современными лаборатория-ми, оборудованными, к примеру, трёхмерным вибростендом; кроме того, АББ может обратиться к группе экспер-тов по конструкциям для сейсмических событий. Моделирование сейсмических событий при помощи программного обе-спечения может обеспечить множество преимуществ для проектов в области ядерной энергетики, так как не требует-ся ни один опытный образец; следова-тельно, достигаются более сжатые сро-ки выполнения графика и снижаются расходы.В 2009 году компания Areva NP, лидер в области проектирования, материально-технического снабжения и строитель-ства (EPC) АЭС, подтвердила, что Экс-пертно-консультационный центр концерна АББ удовлетворяет условиям «разработки и производства распреде-лительного устройства среднего напря-жения для АЭС».

Распределительное устройство среднего напряжения UniGear zS1Распределительное устройство средне-го напряжения является одним из наибо-лее важных звеньев в цепи распределе-ния энергии. Концерн АББ разработал распределительное устройство UniGear

4 Пример числовой оценки конструкции, использованной при аналитических сейсмических квалификационных испытаниях

5 Пример усиленной деформации конструкции UniGear zS1

3 Проведение сейсмических испытаний на UniGear zS1 во время квалификационных испытаний АЭС в г. Дуль

Распределительное устрой-ство среднего напряжения является одним из наиболее важных звеньев в цепи рас-пределения энергии. Распре-делительное устройство UniGear ZS1 производства концерна АББ представляет собой сочетание консолиди-рованных решений и иннова-ционных компонентов от АББ.


завода концерна АББ, выпускающего распределительные устройства средне-го напряжения рис. 4, рис. 5.

Модернизация существующих АЭСВ ходе замены устаревшего оборудова-ния осуществлялся монтаж современ-ных комплектующих (первичных пере-ключающих устройств и технологий цифровой защиты/управления) в суще-ствующих установках среднего напря-жения. Целью данной модернизации была замена только компонентов, с ис-текшим сроком службы.Поскольку автоматические выключатели управляют током отключения и током замыкания, в отличие от других компо-нентов распределительного устройства, являющихся статичными, в большинстве случаев именно автоматические выклю-чатели больше всего подвержены старе-нию. Следовательно, автоматические выключатели находятся в заведомо бо-лее уязвимом положении, и наилучшим выходом является их замена новыми устройствами.Концерн АББ уже провёл замену выклю-чателей, как своих собственных, так и изготовленных фирмами-конкурентами. Самые дорогостоящие работы были произведены на АЭС Тиханж, где АББ заменила 344 выключателя CEM Gardy на выключатели HD4 SF6.

Ренато Пиккардо, Аннунцио Реджантини,

Давиде Каттанео, Лючиано Ди Майо

Компания АББ Power Products, изделия среднего

напряжения, Дальмине, Италия

[email protected]

[email protected]

[email protected]

[email protected]

Литература

[1] IEEE 323 Стандарт IEEE для квалификационных

испытаний оборудования класса 1E для АЭС.

[2] IEEE 344 Рекомендуемые практики проведения

сейсмических квалификационных испытаний

оборудования класса 1E для АЭС.

[3] МЭК 60780 АЭС – Электрооборудование

систем безопасности – квалификационные

испытания.

[4] МЭК 60980 Рекомендуемые практики

проведения сейсмических квалификационных

испытаний электрооборудования систем

безопасности АЭС.

Дополнительная литература

EN 61000- выпуск 4 Электромагнитная совмести-

мость – Методики испытаний и измерений.

Заглавный рисунок

Сейсмографы применяются как для записи

реальных землетрясений, так и для мониторинга

испытаний на вибростенде.

трансформаторы напряжения (VT) установлены на вы-движные тележки. В соответствии с тре-бованиями контрак-та, замена всех ав-т о м а т и ч е с к и х выключателей и те-лежек VT должна завершиться в тече-ние 2010 г.; работы на АЭС проводи-лись два года под-ряд во время плано-вых отключений на обслуживание.Процесс квалифи-кационных испыта-ний был задуман в два этапа. Промыш-ленные и ядерные

испытания основывались на стандартах МЭК и IEEE для аппаратуры и распреде-лительных устройств среднего напряже-ния, а также на технических заданиях заказчика. Сейсмические испытания проводились согласно стандартам IEEE в лабораториях компании CESI-ISMES (Италия).АЭС в городе Оскарсхамн является од-ной из десяти в Швеции. Имея три реак-тора, станция удовлетворяет примерно 10 процентов общего спроса на элек-троэнергию в Швеции, и в её реакторах применяется технология реактора с ки-пящей водой (BWR).В 2009 году концерн АББ поставил че-тыре распределительных устройства среднего напряжения, каждое из кото-рых включает семь панелей UniGear ZS1 с номинальными значениями 12 кВ / 1600 A / 50 кА, оснащённые выключате-лями АББ HD4 SF6. Как и в городе Дуль, оборудование концерна АББ применя-ется для распределения энергии, выра-ботанной дизельными аварийными гене-раторами, при этом поставленное оборудование прошло квалификацион-ные испытания в соответствии со стан-дартами IEEE 323 и IEEE 344, а также техническим заданием заказчика, тре-бующим проведения квалификационных испытаний.Сейсмические квалификационные ис-пытания распределительного устрой-ства среднего напряжения проводились как аналитическим, так и практическим методом. Оба испытания проводились в сотрудничестве с лабораториями ком-пании CESI-ISMES, расположенными всего лишь в нескольких километрах от

Помимо собствен-ных изделий, лабо-раторий и «ноу-хау», концерн АББ также может поло-житься на специ-ализированное партнёрство с са-мыми современны-ми лабораториями.

Распределительное устройство zS1

грамма квалификационных испытаний была проведена на этих опытных образ-цах рис. 3, что позволило достичь успешных результатов.Другой крупной бельгийской станцией является АЭС в городе Тиханж. Основ-ным участником при строительстве АЭС также выступила бельгийская энергети-ческая компания Electrabel. АЭС обору-дована тремя реакторами с охлаждени-ем водой под давлением (PWR) и имеет общую мощность 2985 мегаватт, что со-ставляет 52 процента от всей энергии, производимой бельгийскими АЭС.Концерн АББ заменил 344 выключателя производства фирмы CEM Gardy на вы-ключатели HD4 SF6. Теперь АЭС осна-щена 354 автоматическими выключате-лями (из них 35 запасных) и 34 тележками VT (из них семь запасных). Тележка VT – это часть оборудования, в которой

29Лидирующие технологии

Современные приводы стана с зубчатым зацеплением, разработанные концерном АББ (часть 1)

МАРКО РУФЛИ, МААРТЕН ВАН ДЕ ВИЙФЕЙКЕН – Новейшее

поколение преобразователей частот среднего напряжения

даёт отличную возможность улучшения процесса измельчения,

используемого в горнодобывающей промышленности.

Благодаря разработке нескольких специализированных и

усовершенствованных рабочих функций для мельниц с

зубчатым приводом, применяемых в этой отрасли, это

поколение приводов обеспечивает бесперебойную,

безопасную и надёжную работу с минимальной нагрузкой на

механическое оборудование, а также максимально возможную

производительность мельницы. В первой части нашей статьи

мы расскажем об эксплуатационных преимуществах

внедрения таких функций, а во второй части речь пойдёт о

практическом опыте, полученном в ходе эксплуатации данного

типа современных систем зубчатого привода мельниц.

Лидирующие технологии


довательных пуска, работы и останова, а также о том, как система помогает улуч-шить работу мельницы в целом.

Пуск и останов мельницы Последовательность операций по пуску мельницы полностью контролируется си-стемой электропривода; DCS заказчика (или контролируемая оператором панель управления мельницей) должны лишь по-слать простую команду пуска и значение желаемой скорости работы привода. Для обеспечения плавного и безопасного пу-ска система привода вначале увеличива-ет скорость до заранее установленной скорости пуска (как правило, около 10 процентов от номинальной скорости), по-сле чего система поддерживает такой скоростной режим, а также контролирует крутящий момент и угловые координаты мельницы. Как правило, материал в мельнице ссыпается до того, как мельни-ца повернётся на 90 градусов. Тем не ме-нее, если защита от налипшего материа-

дом, где длина зубцов венца и шестерни постепенно увеличивается, точное вы-равнивание венца и шестерни (а в неко-торых случаях и редуктора) является жизненно важным. Тем не менее, практи-ческий опыт показал, что достижение и поддержание идеальной ровности может быть затруднительным; следовательно, особенно важно избегать резкого пуска и сильных отклонений момента, в частно-сти, на крупных мельницах. При всех экс-плуатационных условиях (т.е. при пуске, нормальном режиме измельчения, оста-нове) требуется щадящая по отношению к механической части система.Конфигурация системы электропривода, обсуждаемая в данной статье, состоит из трансформатора преобразователя, мно-гоприводного преобразователя частот среднего напряжения ACS 6000 и двух асинхронных четырёхполюсных двигате-лей с «беличьей клеткой» АББ AMI630. В следующем разделе будет рассказано о работе системы привода во время после-

Т ребования к мельницам можно разделить по следующим кате-гориям: эксплуатация, обслужи-вание и защита: для беспере-

бойной и безопасной работы важно в максимально возможной степени избе-гать возникновения критических ситуа-ций; функциональные возможности об-служивания должны быть быстрыми и простыми в выполнении; защита системы представляет важность во всех эксплуа-тационных режимах.

Во всех приводах мельниц с зубчатым за-цеплением (RMD), а в особенности в си-стемах с двумя зубчатыми венцами рис. 1, механическое воздействие двух двига-телей может быть весьма заметным, и по-этому управление этими двумя двигате-лями должно быть быстродействующим и точным во избежание любого дополни-тельного воздействия на зубчатые венцы и приводную шестерню.Эти требования могут быть не только вы-полнены, но и превзойдены новейшим поколением приводов с преобразовате-лем частот среднего напряжения концер-на АББ, которые оснащены новыми и специализированными функции привода мельницы. Добавление ещё одного кон-троллера (то есть контроллера мельницы) не только позволяет включить многие функциональные возможности и защиту для дополнительных применений, но так-же упрощает взаимодействие между си-стемой привода мельницы и распреде-лённой системой управления заказчика (DCS). Привод оснащён функцией прямо-го управления моментом (DTC) рис. 2, ко-торая известна как самый передовой способ управления приводами перемен-ного тока, при которой переменные зна-чения двигателя (момент и скорость) на-прямую управляются инверторным переключателем. Функциональность как в плане эксплуатации, так и обслужива-ния может быть добавлена только с по-мощью использования регулируемых приводов и точного управления, являю-щихся составной частью конструкции привода. Кроме того, все изначальные особенности привода с преобразовате-лем частот идут на пользу системе и обе-спечивают большую управляемость всем процессом дробления. В число таких преимуществ входят чрезвычайно точ-ные измерения крутящего момента и тока, поддержание непрерывности элек-троснабжения при сбоях в подаче элек-троэнергии, а также защита от замыка-ния на землю и от короткого замыкания.На крупных мельницах с зубчатым приво-

1 Высокоскоростной привод мельницы с двумя зубчатыми венцами

С редуктором Без редуктора

2 Упрощённая схема высокоскоростного привода мельницы с двумя зубчатыми венцами и тихоходного привода с двумя зубчатыми венцами

С редуктором Без редуктора

До 36 кВ или 60 Гц До 36 кВ или 60 Гц

Входит в объём поставки АББ

Входит в объём поставки АББ

Выпрямитель 1 Выпрямитель 1Выпрямитель 2 Выпрямитель 2

Инвертор 1 Инвертор 1Инвертор 2 Инвертор 2

Электричес- кая часть

Электричес- кая часть

Асинхрон-ные

двигатели

Синхрон-ные

двигатели

Редуктор Редуктор

Зубчатый венец Зубчатый венец

Механичес-кая часть

Механичес-кая часть

ACS 6000 ACS 6000

Общая шина постоянного тока

Общая шина постоянного тока

AC

DC

AC

DC

DC

AC

DC

AC

DC

AC

DC

AC

AC

DC

AC

DC

Мельница Мельница

Привод Привод


ла заблокирована или «заморожена», материал будет сыпаться с верхней части мельницы после её поворота на 180 гра-дусов. Это может привести к серьёзным повреждениям мельницы и её подшипни-ков, что, в свою очередь, вызовет дли-тельное и незапланированное прекраще-ние её работы. Этого можно избежать с помощью современной технологии управления приводом концерна АББ, ко-торая позволяет приводу точно следо-вать указанной DCS заказчика скорости, если контроллер мельницы замеряет ссыпание материала по сниженному кру-тящему моменту до достижения критиче-ского угла поворота мельницы рис. 3. На-чиная с этого момента, привод находится под полным контролем оператора, и это означает, что привод будет в точности следовать любым изменениям скорости по запросу DCS.Во время пуска существует потенциаль-ный риск падения налипшего материала, который может причинить серьёзные по-вреждения корпусу мельницы, подшип-никам и другим её частям. Контроллер мельницы производства АББ полностью устраняет такой риск; больше не нужно предпринимать никаких действий, напри-мер, не требуется вызывать сползание налипшего материала до подачи коман-ды запуска, даже после длительного про-стоя мельницы. Если в мельнице дей-ствительно остался налипший материал, привод продвинется и совершит останов без торможения до достижения критиче-ского угла. В двух словах, пуск будет чрезвычайно щадящим для механиче-ской части, например, для редуктора, венца и шестерни, поскольку значитель-ные отклонения крутящего момента будут полностью исключены.Часть участка пуска, показанная на рис. 3, увеличена на рис. 4. Самый первый не-большой пик крутящего момента (выде-лен коричневым цветом) показывает на-чальный крутящий момент, после которого скорость двигателя медленно и постепенно возрастает, в то время как крутящий момент увеличивается вместе с углом вращения мельницы. При угле примерно 30° (первое основное макси-мальное значение крутящего момента составляет примерно 94 % от номиналь-ного, а второе и максимальное значение равняется 113 %), материал начинает ссыпаться. После выявления ссыпающе-гося материала, мельница может продол-жать работу на малой скорости до дости-жения непрерывного ссыпания, в соответствии с показаниями постоянного замера крутящего момента. При дости-

жении угла примерно 200° работа систе-мы становится стабильной, что, наконец, позволяет контроллеру мельницы раз-блокировать привод таким образом, что-бы он следовал скорости, заданной DCS.Максимальный возможный крутящий мо-мент двигателя может быть ограничен в приводе с разными уровнями пуска (бо-лее высокое ограничение крутящего мо-мента, например, 130 % от номинального) и для нормальной работы после пуска (сниженное ограничение крутящего мо-мента, например, 110 процентов от номи-нального).Являясь щадящим по отношению к меха-нической части, процесс пуска лишь слегка затрагивает и сеть электроснаб-жения, поскольку, раз двигатель и элек-тросистему разделяет преобразователь ACS 6000, не возникает высокого пуско-вого тока, типичного для двигателей с прямым управлением. Следовательно, ток, поступающий из сети во время запу-ска, составляет (при максимальном кру-тящем моменте 112 %) лишь 12 % от но-минального.

Участок эксплуатации

После того, как контроллер мельницы

В зубчатых приво-дах мельниц (RMD) механическое воз-действие двигате-лей может быть весьма заметным, и поэтому управле-ние этими двумя двигателями долж-но быть быстро-действующим и точным.

3 Полная последовательность пуска/останова

Пуск: от 80 до 118 секундРабота: от 118 до 550 секундОстанов: от 550 до 690 секунд

Время (сек)

0

25

5

0

75

1

00

1

25

0

25

0

50

0

75

0

10

00

1

25

0

15

00

0 100 200 300 400 500 600 700

Скорость двигателя (об/мин)

Момент двигателя (%)

4 Последовательность пуска с заблокированной защитой от налипшего материала

85 90 95 100 105 110 115 120 125 130

0

50

1

00

1

50

2

00

2

50

3

00

3

50

0

10

0

20

0 3

00

40

0 5

00

60

0 7

00

80

0 9

00

10

00

0

25

5

0

75

1

00

1

25

Time (s)


Момент двигателя (%) Угол мельницы (град.)

разблокирует привод, скорость может задавать оператор в соответствии с тре-бованиями, предъявляемыми производ-ственным процессом.Система электропривода может обеспе-чивать постоянный крутящий момент в рамках всего диапазона скоростей. Так-


можения, концерн АББ внедрил функ-цию, названную «управляемый возврат», быстро и управляемо возвращающую мельницу в состояние покоя.Эта функция осуществляется посред-ством снижения скорости до нуля. После достижения нулевой отметки, система привода медленно переходит в обратное направление, чтобы откатывать мельницу назад до тех пор, пока в системе не оста-нется крутящего момента рис. 6. В это время двигатель работает в качестве ге-нератора, принимая потенциальную энергию, оставшуюся в системе, благо-даря наличию материала в мельнице при определённых угловых координатах.В данном типе приводных систем, вклю-чающем выпрямительный мост, исключа-ющий возможность подачи электроэнер-гии обратно в сеть, минимальная скорость для возврата мельницы относи-тельно мала, поскольку вырабатываемая энергия ограничена потерями в системе привода (т.е. в двигателе и инверторном/частотном преобразователе тока), Кон-церн АББ также предлагает опцию пол-ностью четырёхквадрантного привода с

активным выпрямителем, позволяющим энергии торможения поступать обратно в питающую сеть. Эта опция заметно сни-жает время, необходимое для возврата мельницы в исходное положение.На рис. 7 показан крупный план зоны управляемого возврата (с рис. 6). После снижения скорости мельницы, когда мельница находится в неуравновешен-ном положении, двигатель вначале соз-даёт положительный крутящий момент, достаточный для того, чтобы поддержи-вать мельницу с неуравновешенным ма-териалом. Небольшое снижение крутя-щего момента изменяет направление вращения, что заставляет мельницу плав-

Для быстрого, лёгкого и безо-пасного обслужи-вания мельницы концерн АББ снабдил её кон-троллер специаль-ными функциями обслуживания.

6 Полная последовательность останова

575 600 625 650 675

0

50

1

00

1

50

2

00

2

50

3

00

3

50

0

25

0

50

0

75

0

10

00

1

25

0

15

00

Время (сек)

0

25

5

0

75

1

00

1

25

7 Подробный вид управляемого возврата

630 640 650 660 670 680

14

0

15

0

16

0

17

0

18

0

19

0

20

0

-25

0

2

5

50

7

5

10

0

12

5

15

0

Время (сек)

-1

0

0

10

2

0

30

4

0

50

6

0

70

8

0

90

5 Нормальный режим работы

150 200 250 300 350 400 450 500

0

50

1

00

1

50

2

00

2

50

3

00

3

50

0

25

0

50

0

75

0

10

00

1

25

0

15

00

0

10

2

0

30

4

0

50

6

0

70

8

0

90

1

00

Время (сек)







Угол мельницы (град.)



же возможна работа на скорости выше номинальной, но с пониженным крутя-щим моментом (участок постоянной мощ-ности).На рис. 5 оператор медленно повышает скорость до заданной. После работы на 2/3 от номинальной скорости в течение более одной минуты, скорость мельницы возрастает вплоть до максимальной в размере почти 1500 об/мин (номиналь-ная скорость двигателя). Хотя скорость немного скачет во время увеличения (мо-

мент ускорения составляет примерно 7 процентов от номинального крутящего момента), момент остаётся вполне ста-бильным по всему спектру скоростей.Последовательность останова с управля-емым возвратомПри поступлении команды на останов от DCS, контроллер мельницы принимает на себя полное управление процессом оста-нова. Чтобы избежать ненужных и дли-тельных раскачиваний мельницы вперёд и назад, вызванных остановом без тор-


но возвращаться в исходное положение до достижения равновесия. Данные на рис. 7 чётко указывают на то, что крутя-щий момент (прилагаемый к зубцам вен-ца) всегда остаётся положительным в те-чение всего процесса, благодаря чему не возникает потери хода или контакта меж-ду венцом и шестернёй. Если же потеря хода всё же произойдёт, это станет за-метным благодаря падению крутящего момента до нуля или ниже.В данной конфигурации скорость двига-теля во время управляемого возврата со-ставляет всего лишь 12,8 об/мин, то есть примерно 0,85% от номинальной! Други-ми словами, мельница плавно и с полной управляемостью возвращается в исход-ное положение со скоростью примерно 0,1 об/мин. Даже на столь низкой скоро-сти работа системы остаётся стабильной благодаря передовой технологии прямо-го управления моментом (DTC), разрабо-танной в концерне АББ. Кроме того, вре-мя от достижения нулевой скорости до нулевого крутящего момента (т.е. мельни-ца останавливается без перекосов и от-клонений) составляет приблизительно 55 секунд. Хотя такой режим быстрее обыч-ной остановки без торможения, примене-ние четырёхквадрантного преобразова-теля ещё больше снизит это значение.Если взглянуть на угловую характеристи-ку (на рис. 7), можно заметить, что мель-ница вернулась на 30 градусов, пример-но со 178 градусов до приблизительно 148 градусов (т.е. угловая характеристика понизилась после того, как скорость мельницы стала минимальной примерно

Последнее поколе-ние преобразова-телей частот сред-него напряжения концерна АББ предоставляет от-личную возмож-ность усовершен-ствовать процесс измельчения, при-меняемый в горно-добывающей про-мышленности.

на 630-й секунде). Эта характеристика отлично совпадает с измеренным углом ссыпания во время запуска, показанным на рис. 4.

Останов без торможения (качающаяся мельница)Чтобы полностью оценить явные преиму-щества регулируемой работы привода и, следовательно, управляемого возврата, останов без торможения после достиже-ния номинальной скорости был проте-стирован на той же самой мельнице. Тест показал, что время, в течение которого мельница пришла в состояние полного покоя (т.е. когда прекратились раскачи-вания мельницы назад и вперёд) после получения команды «останов», составило примерно 180 секунд рис. 8.При более внимательном рассмотрении, сигнал частоты вращения двигателя (из-меряемый установленным на нём тахоме-тром) на рис. 9, становится очевидной потеря хода (показана стрелками) между зубцами венца и шестернёй. Причина этого явления следующая: шестерня при-водит двигатель, который должен уско-ряться и замедляться из-за своей инер-ции. Во время процесса замедления,

8 Останов без торможения (на качающейся мельнице)

Время (сек)

-50

0

5

0

10

0

15

0

20

0

475 500 525 550 575 600 625 650

-25

0

0

25

0

50

0

75

0

10

00

12

50

1

50

0

Скорость двигателя (об/мин) Угол мельницы (град.)

Время (сек)

525,0 257,5 530,0 532,5 535,0 537,5 540,0 542,5 545,0


9 Потеря хода при останове без торможения-2

00

-1

50

-1

00

-5

0

0

50

1

00

1

50

2

00

зубец шестерни несколько раз касается зубца венца для снижения скорости вра-щения двигателя. Это вызывает не только потерю хода, но и существенный износ зубцов.

Функции обслуживанияДля быстрого, лёгкого и безопасного об-служивания мельницы концерн АББ ос-настил контроллер мельницы специали-зированными функциями обслуживания.

Малый ход

Малый ход, обычная функция, применяе-мая для обслуживания мельниц, есть ни-что иное, как проворачивание мельницы на самой малой скорости в целях обслу-живания, например, визуальной провер-ки подшипников или ручного позициони-рования футеровки. В мельницах общего назначения, в которых применяются дви-гатели с фиксированной скоростью вра-щения, для системы главного привода необходим вспомогательный двигатель с редуктором для функции малого хода. Системы мельничных приводов концерна АББ могут обеспечить высокий крутящий момент на малой скорости, таким обра-зом делая малый ход возможным с помо-


зить время простоя и повысить произво-дительность. Оператор на местной пане-ли управления или на DCS заранее выбирает режим позиционирования, на-правления вращения, желаемый угол и количество футеровки.Функция автоматического позициониро-вания, требующая поворота на 180 гра-дусов, изображена на рис. 11: материал сыпется под углом 27 градусов; привод продолжает работать на малой скорости в течение определённого времени до за-медления; на нулевой скорости угловые координаты мельницы составляют 209 градусов, при этом крутящий момент до-стигает 94 процентов от номинального (что означает полную загрузку мельницы); затем привод начинает работать в обрат-ном направлении, постепенно снижая крутящий момент. К тому времени, когда привод остановится (через 101,6 секун-ды), мельница повернётся на 179,2 граду-са, то есть погрешность составит всего лишь полпроцента! В данном примере оптимальная скорость позиционирова-ния была установлена на уровне 158 об/мин, что соответствует 10,5 процента (обычно 10 процентов) от номинальной. На этой скорости погрешность угловых координат была нижё одного процента при всех испытаниях.

Защита от деформации

Даже в том случае, когда деформация не является серьёзной проблемой для мель-ниц, применяемых в горнодобывающей промышленности, эта функция, тем не менее, может использоваться во время длительных перерывов в работе мельни-цы (например, при техническом обслужи-вании) для предотвращения налипания измельчаемого материала. От оператора требуется всего лишь заранее выбрать режим защиты от деформации и предпо-чтительное направление вращения до по-дачи команды на запуск. Затем контрол-лер мельницы осуществит поворот на 180 градусов в точности так, как изобра-жено на рис. 11.

Механизм для удаления налипшего материала

Как известно, налипание материала обычно происходит на шаровых мельни-цах. После выявления такого случая на-липший материал необходимо удалить; это, как правило, осуществляется вруч-ную, что может вызвать длительный про-стой оборудования.Особые функциональные возможности мельниц производства концерна АББ не только защищают мельницу от падения налипшего материала, но также имеют

Функция автомати-ческого позицио-нирования позво-ляет оператору точно поворачи-вать мельницу под любым желаемым углом или с любым числом рядов фу-теровки.

11 Процесс автоматического позиционирования с углом 180 градусов

470 480 490 500 510 520 530 540 550 560

0

50

1

00

1

50

2

00

-25

0

2

5

50

7

5

10

0

12

5

15

0

17

5

0

25

5

0

75

1

00

10 Малый ход

-5

0

0

50

1

00

1

50

2

00

2

50

3

00

3

50

100 150 200 250 300

-25

0

2

5

50

7

5

10

0

-25

0

2

5

50

7

5

10

0

её можно отрегулировать в диапазоне от 1 до 10 процентов уже после успешного запуска.Вся последовательность действий при малом ходе показана на рис. 10. Ско-рость малого хода установлена на уровне 48 об/мин или 3,2 процента от номиналь-ной; ссыпание материала выявляется при угловых координатах мельницы 23,5 гра-дуса и крутящем моменте в размере 73 процентов от номинального. Оператор сохраняет такую скорость работы мель-ницы до достижения 420 градусов до по-дачи команды на останов, заставляя кон-троллер мельницы снижать скорость и осуществлять управляемый возврат, пока мельница не придёт в состояние полного покоя перед тем, как остановить работу привода.

Последовательность действий при автомати-

ческом позиционировании

Функция автоматического позициониро-вания позволяет оператору осущест-влять точное проворачивание мельницы на любой желаемый угол или с любым числом рядов футеровки. Фактически, эта функция очень полезна при замене футеровки, поскольку она помогает сни-

щью главного привода. Команду на малый ход желательно пода-вать с местной панели управления, но возможна и дистанционная подача ко-манды с DCS. Процедура пуска полно-стью управляется контроллером мельни-цы, и защита от налипшего материала активируется при выборе режима малого хода. Скорость малого хода составляет обычно 5 процентов от номинальной, но

Время (сек)



Время (сек)




ме вскоре после запуска мельницы, про-исходит в виде последовательности фаз ускорения и замедления для разрыхле-ния налипшего материала. Амплитуда та-ких приложений является фиксирован-ным относительным значением фактического крутящего момента, до-бавляемым к системе, и её можно регу-лировать во время пуска в эксплуатацию.Как показано на рис. 13, максимальная амплитуда самого высокого крутящего момента составляет 19,2 процента от но-минального. Поскольку крутящий момент и скорость всегда положительны, и опе-рация осуществляется в том же самом (т.е. первом) квадранте, не произойдёт эффекта потери хода между венцами и шестернёй.

Продолжение следует …

Специализированные функции мельниц про-

изводства концерна АББ делают мельницы

более привлекательными в плане эффектив-

ности эксплуатации и обслуживания. Но эта

приводная система также поставляется для

приводов мельниц с двумя венцами, т.е. когда

два двигателя механически соединены друг с

другом с помощью шестерни и, таким обра-

зом, они совместно приводят мельницу в дви-

жение. Это, безусловно, требует равномерно-

го распределения нагрузки. Во второй части

статьи мы расскажем, используя фактические

замеры, о поразительной точности привода

среднего напряжения с двумя зубчатыми вен-

цами 2×5.

Марко Руфли

Маартен ван де Вийфейкен

ABB Switzerland Ltd. Баден-Детвиль, Швейцария

[email protected] [email protected]


[1] Ravani von Ow, T., Bomvisinho, L. (2010).

Применение новейших технологий для

соответствия требованиям эксплуатации

мельниц. Работа была представлена на 42-ой

Конференции горнодобывающих предприятий

Канады, Оттава, Канада.

[2] Ravani von Ow, T., Gerhard, B. (2010). Мельницы с

зубчатым приводом, оснащённым преобразова-

телем частот (нечто большее, чем просто

регулируемая скорость) Работа была представ-

лена на ежегодном заседании SME, Феникс,

штат Аризона, США.


Новейшее поколение преобразователей частот

среднего напряжения концерна АББ применяется на

меднодобывающем предприятии компании Boliden

Aitik в Швеции.

12 Механизм для удаления налипшего материала с управляемым возвратом

0

50

1

00

1

50

2

00

4290 4295 4300 4305 4310 4315 4320 4325 4330 4335 4340 4345

-25

0

2

5

50

7

5

-25

0

2

5

50

7

5

13 Крутящий момент механизма для удаления налипшего материала

4290.0 4292.5 4295.0 4297.5 4300.0 4302.5

0

50

1

00

1

50

2

00

2

50

0

10

2

0

30

4

0

50

6

0

70

8

0

90

1

00

0

10

2

0

30

4

0

50

6

0

70

запатентованную функцию, называемую «механизм для удаления налипшего мате-риала», которой оснащён контроллер мельницы и которая может быть активи-рована вручную только с местной панели управления или с DCS. Функция механиз-ма для удаления налипшего материала заключается в том, чтобы разрыхлить его, прикладывая крутящий момент к си-

стеме. Оптимальная амплитуда и продол-жительность такого приложения опреде-ляется и устанавливается при пуске в эксплуатацию. Амплитуда приложения крутящего момента определяется путём добавления определённого процента

фактического крутящего момента к си-стеме, в то время как защитные функции, такие как ограничение крутящего момен-та и тока, действуют так, как если бы мельница продолжала работать в обыч-ных условиях. Благодаря этому механи-ческая часть никогда не подвергается на-грузке, превосходящей значения, имеющие место в нормальных условиях

э к с п л у а т а ц и и . Функции механиз-ма для удаления налипшего матери-ала могут приме-няться в прямом и обратном направ-лениях.Полная последова-тельность функций механизма для удаления налипше-го материала при прямом направле-

нии вращения и при управляемом воз-врате показана на рис. 12, а крупный план первого этапа этой последователь-ности изображён на рис. 13. Крутящий момент, также отражаемый изменениями скорости вращения, прилагается к систе-

Специализированные функ-ции мельниц производства концерна АББ делают мель-ницы привлекательнее в плане эффективности экс-плуатации и обслуживания.

Время (сек)



Время (сек)




Взгляд на технологии, применяемые на бере-гу и на борту морских судов, а также пример унификации подачи электроэнергии с берега на судно

ЛУТЦ ТУРМ, ИСМИР ФАЗЛАДЖИЧ, ТОРСТЕН ХАРДЕР, КНУТ МАРКВАРТ

– В статье рассматривается масштаб воздействия на окружающую среду

в районе морского порта. Правительства, портовые власти и владельцы

морских судов изучали различные возможные решения, направленные на

уменьшение выбросов судов во время портовых операций. Одним из таких

найденных решений было подсоединение находящихся в акватории порта

судов к источнику питания на берегу, при котором электроэнергия из

наземной сети используется для питания судовой инфраструктуры, приме-

няемой для обеспечения комфорта экипажей и пассажиров во время

стоянки, а также для выгрузки и погрузки. Принимая во внимание неизбеж-

ную унификацию подачи энергии с берега на судно, практическое воплоще-

ние такого решения, возможно, поможет портовым властям и владельцам

судов снизить вредные выбросы в районе порта.

На берегу и в море

37На берегу и в море

включают соединительную кабельную проводку и терминалы пирса.Для каждой береговой точки подсоеди-нения к электросети порт или терминал должен предоставить выделенный транс-форматор, служащий для двух целей. Во-первых, он обеспечивает требуемую гальваническую развязку (неметалличе-ское прямое соединение между электро-сетью на суше и внутренней системой судна) таким образом, чтобы замыкание

на землю электросети судна не представ-ляло опасности для портовой сети и нао-борот. Во-вторых, трансформатор умень-шает напряжение тока с оптимизированного для распределения уровня (например, 20 кВт) до одного или

и прочие мелкие объекты. У большинства портов есть доступ к источникам энер-госнабжения для подачи питания таким потребителям с дополнительными 2-3 мегаваттами для второстепенных потреб-ностей. С учётом того, что потребности судна в электричестве при нахождении в акватории порта могут достигать 10 мега-ватт в зависимости от типа судна, энерге-тической инфраструктуры во многих пор-тах будет недостаточно, чтобы обеспечить достаточную пода-чу электроэнергии без существенного расширения своей собственной элек-тросети. В этом случае могут по-требоваться инве-стиции в строи-тельство новой подстанции или установку новой входящей линии электропередачи большей мощно-сти; оба варианта потребуют переговоров с поставщиком электроэнергии в данный порт.Энергетические решения, основанные на береговой инфраструктуре, часто вклю-чают всю цепочку с входящей подстан-ции, трансформаторы и преобразовате-ли частот для приведения судовой электросети в соответствие напряжению и частоте общей электросети Такое ре-шение позволит осуществить одновре-менное подключение нескольких судов с частотой 50 и 60 Гц независимо от часто-ты местной сети. Такие решения также

авайте рассмотрим пример подачи электроэнергии с бе-рега на судно рис. 1: Эколо-гические характеристики электричества, вырабатыва-

емого электростанциями на берегу в сравнении с дизельными двигателями судна, работающего на котельном топли-ве, являются одним из основных преиму-ществ данной технологии. С помощью производимой на берегу электроэнер-гии1, регулирующие органы могут нахо-дить ответы на конкретные местные про-блемы (загрязнение) посредством конкретного решения, подходящего именно для данного места (подача элек-тричества с берега). Для морских портов возможность подачи энергии на суда, на-ходящиеся в гавани, позволяет организо-вать более эффективную и энергоёмкую подачу электрического питания. Кроме того, инвестиции в инфраструктуру оста-ются стабильными в течение десятилетий при наличии долговременных прибылей. Для проживающих в районе порта людей появляется дополнительное преимуще-ство: снижение шума и вибрации вблизи гавани, а в связи с унификацией подачи электроэнергии с берега на судно, инве-стиции в технологии становятся более обоснованными.

Береговые технологииТехнологии, необходимые для обеспече-ния подачи электроэнергии с берега на пришвартованные у пирса суда, не явля-ются каким-либо инновационным обору-дованием. На сегодняшний день инжене-ры могут использовать уже зарекомендовавшие себя технологии для развития надёжной инфраструктуры пе-редачи электроэнергии особо уделяя внимание таким техническим вопросам, как безопасное управление кабельными системами. Стоимость оборудования ва-рьируется в самом широком диапазоне в зависимости от конкретных потребно-стей порта и электроэнергии, которую он сможет обеспечить. Дополнительные ин-вестиции обусловлены строительством и монтажными работами на причале и по-тенциальными потребностями, относя-щимися к расширению общей портовой электросети.Электроснабжение в порту, как правило, похоже на электроснабжение небольшо-го завода, при котором электричество необходимо для питания разгрузочно-по-грузочной инфраструктуры на берегу, в которую входят краны, транспортёры и потальные краны, охлаждение, подогрев

Электроснабжение в порту, как правило, похоже на элек-троснабжение небольшого завода, при котором элек-тричество необходимо для питания разгрузочно-погру-зочной инфраструктуры на берегу.

Footnote

1 Подача электроэнергии с берега на судно

известна также под названием «холодная

глажка», подача питания с суши, альтернатив-

ная судовая энергия (AMP) или береговое

подсоединение.

a

b

c

1 Общий вид снабжения судна электроэнергией с берега

a

b

c

1a Трансформатор и распределительное устройство

1b Преобразователь 1c Соединитель

Д


Система береговых точек подсоединения к электросети позволяет экономить дра-гоценную причальную площадь. Входная подстанция может быть удобно располо-жена на расстоянии до 10 километров от причального трансформатора и панелей среднего напряжения, которые непо-средственно подают электроэнергию на судно. Со стороны причала имеется лишь один небольшой и надёжно закреплён-ный контейнер размером с комнату, в ко-тором размещается силовой трансфор-матор, распределительное устройство среднего напряжения с автоматическим переключателем заземления, устройства защиты и управления и интерфейс опе-ратора. Основное преимущество ком-пактной береговой инфраструктуры за-ключается в том, что она обеспечивает бесперебойную работу в доке и может выполняться в мобильной версии.

Технологии на борту суднаЧтобы использовать полученную с берега электроэнергию, суда должны быть при постройке или модернизации оснащены оборудованием, позволяющим осущест-влять соединение с портовой электросе-тью, синхронизирующим передачу энер-гии с берега на судно и подсоединяющим входящую электроэнергию к силовой сети вспомогательных механизмов судна. Можно безопасно переоборудовать суд-но в сравнительно короткие сроки, как в плавании, так и при нахождении в сухом доке без длительного простоя.Вначале, вырабатываемая на суше элек-троэнергия, должна подаваться на борт через кабели рис. 4, 5. В некоторых слу-чаях, в частности для контейнеровозов и трейлерных судов для перевозки автомо-билей, кабель устанавливается на судне и спускается через бобину или барабан к

ти требуют преобразования частоты. Статические преобразователи частот обеспечивают экономичное решение подсоединения любого судна к любой сети независимо от требуемой частоты. В зависимости от расположения портовых сооружений, централизованное решение с одним преобразователем может обслу-живать множество судов и причалов. Благодаря малой занимаемой площади, преобразователи подходят к зданию или помещению любой подстанции наряду с компактным распределительным устрой-ством и трансформаторами. Кроме того, преобразователи частоты улучшают об-щее качество электроэнергии портовой электросети с помощью повышения ко-эффициента мощности и стабилизации напряжения и частоты. В зависимости от проектных требований, применяются низ-ковольтные преобразователи PCS100 или

средневольтные PCS6000 рис. 2.Наконец, портовая инфраструктура для подачи элек-троэнергии с бере-га на судно должна включать систему автоматизации и связи, которая по-зволяет обслужи-вающему персона-лу координировать подсоединение ка-

белей и синхронизировать электриче-скую нагрузку судна с подачей питания с берега. Это стало возможным с помо-щью двух выносных терминалов (RTU), одно из которых находится на борту суд-на, а второе – на берегу, оснащённые Ethernet-связью через оптоволоконный кабель.

двух уровней напряжения, принятых в ка-честве стандарта для соединения между берегом и судном: 11 или 6,6 кВ в зависи-мости от судна.

Каждая береговая точка подсоединения к электросети требует распределитель-ного устройства среднего напряжения с автоматическим переключателем зазем-ления. В сущности, распределительное устройство прерывает подачу энергии, а переключатель гарантирует, что в кабе-лях между берегом и судном во время обслуживания и подсоединения не оста-ётся никакой энергии. Поскольку самый высокий риск, связанный с береговыми точками подсоединения к электросети – это травмы персонала, работающего с кабелями и системами, наличие такого распределительного устройства является критически важным.

Статический преобразователь частот не-обходим для большинства береговых то-чек подсоединения к электросети рис. 2. Большинство судов работает на частоте 60 Гц, тогда как частота местных сетей во многих странах мира составляет 50 Гц рис. 3. В результате, большинство бере-говых точек подсоединения к электросе-

Многие из современных судов с оборудованием для подклю-чения к наземной сети были переоснащены, а не были по-строены уже с установленным оборудованием.

2 Комплект статического преобразователя частот АББ для подачи электроэнергии с берега на судно в диапазоне от 120 кВА до сотен МВА (PCS6000).

a Статический преобразователь частот АББ PCS100 b Статический преобразователь частот АББ PCS6000

39На берегу и в море

3 Частоты, применяемые в разных странах. Эта разница требует наличия преобразователей частоты для подачи электроэнергии с берега на судно.

50 Hz

60 Hz

50/60 Hz

4 Соединительные кабели на теплоходе Oosterdam класса Vista, принадлежащего компании Holland America Line.

причалу, где его подсоединяют к сети. На круизных судах кабель всегда находится на берегу с небольшим встроенным ги-дравлическим рукавом для направления.Когда система управления кабельной си-стемой расположена на берегу, электри-ческое подсоединение на корабле осу-ществляется с помощью панели соединительной арматуры для приёма энергии с берега рис. 6. В большинстве случаев такая панель должна распола-гаться вблизи корпуса судна и в пределах удобной досягаемости для тяжёлых кабе-лей на берегу.

Береговая соединительная панель содер-жит автоматический выключатель, ре-лейную защиту, физическое электриче-ское подсоединение (штепсель и кабель заземления) и интерфейс управления с интегрированной судовой системой авто-матизации или системой управления энергией. Эти системы позволяют син-хронизировать поступающую электроэ-нергию с дизельными вспомогательными двигателями судна до передачи нагрузки. Береговая соединительная панель АББ состоит из двух электрошкафов, габари-ты которых варьируются в зависимости от номинальной мощности. Данное обо-рудование среднего напряжения должно устанавливаться в специально выделен-ном помещении.На судах, использующих обычную меха-ническую тягу (при которой дизельные двигатели непосредственно приводят в действие винты судна, в противополож-ность дизельной электрической тяге), низковольтная вспомогательная энерго-система судна, с напряжением, как пра-вило, 400 - 690 В, требует, чтобы питание, получаемое трансформатором с берега,

МЭК, ISO и IEEE объединили свои усилия в создании стандарта, который сделает возмож-ным чётко и одно-значно унифициро-ванное под- соединение для подачи электро-энергии с суши.

составляло 11 или 6,6 кВ. Этот транс-форматор является относительно боль-шим и громоздким, но, в отличие от бере-говой соединительной панели, он может быть установлен в машинном отделении или в любом другом подходящем месте на борту судна.Процесс соединения и отсоединения суд-на от поступающего с берега электропи-тания занимает от пяти до 30 минут. На борту судна старший механик или специ-ально обученный член команды, знако-мый с системой управления энергообе-спечением судна, следит за подачей электроэнергии. Управление кабельной системой может осуществляться как мор-ским, так и портовым персоналом, про-шедшим соответствующее обучение ра-боте с оборудованием среднего напряжения. По крайней мере, одна ком-пания начала проводить исследования с целью создания автоматизированной си-стемы для подключения кабелей к судну для повышения безопасности и экономии времени.В настоящее время большинство судов, оборудованных инфраструктурой для приёма электроэнергии с берега, являют-ся контейнеровозами, и многие проекти-ровщики морских судов включают эту инфраструктуру в свои проекты или оставляют место для её размещения. Многие из современных судов с оборудо-ванием для подключения к наземной сети были переоснащены (т. е. оборудование было дополнительно установлено на су-ществующее судно), а не были построены с установленным оборудованием.Тогда как лишь немногие технологии, установленные на судах для получения электроэнергии с берега, являются новы-ми, обычно вся система должна проекти-

роваться в зависимости от конкретного случая для каждой установки. Даже если соединение унифицировано, проект суд-на не является таковым, означая то, что проблемы с местом, доступностью, взаи-модействием с системой управления электроэнергией и дизельными двигате-лями – всё это требует рассмотрения и оценки до установки. Концерн АББ раз-работал решения под ключ, включающие весь объём поставки, с минимальным простоем судна.

Стандартизация системы подсоедине-ния питания между берегом и судномЧтобы сделать поставки электроэнергии с берега на судно экономически привле-кательными для портов и владельцев су-дов, характер и расположение подсоеди-нений электроэнергии должен быть приведён к единому стандарту. Ни владе-


лец порта, ни собственник судна не смо-гут обосновать необходимость инвести-ций в дорогостоящее оборудование для соединения с береговой электросетью без уверенности в том, что такая система сохранит свою функциональность во многих юрисдикциях и в течение опреде-лённого периода времени.

Работа над общим стандартом подачи электроэнергии на пришвартованные суда с берега стартовала в начале 2005 года. В число основных участников этой

разительно, что единый стандарт был бы просто невыполним. В результате были разработаны четыре отдельных, но взаи-мосвязанных стандарта – один для трей-лерных судов, один для контейнерово-зов, один для круизных лайнеров и ещё один для танкеров. Кроме того, суще-ствуют два основных стандартных напря-жения для подсоединения питания – 11 кВ и 6,6 кВ.

При наличии единого стандарта, инвести-ции со стороны судовладельцев и порто-вых властей в системы электроснабже-ния судов с берега должны значительно возрасти. Окончательная редакция стан-дарта близка к утверждению.

Лутц Турм

АББ, отдел судового оборудования

[email protected]

Измир Фаладжич

АББ, отдел берегового оборудования

[email protected]

Торстен Хардер

АББ, отдел преобразователей частот

[email protected]

Кнут Маркварт

АББ, отдел маркетинга и работы с клиентами

[email protected]


– Marquart, K., Haasdijk, T., Ferrari, GB,

Schmidhalter, R. Подача энергии с берега на

судно: решение «под ключ» концерна АББ

существенно снижает выбросы в порту. «АББ

Ревю» 4/2010, стр. 56–60.

– www.abb.com/ports


[1] МЭК/PAS 60092-510. Редакция 1.0 (Апрель

2009 г.). Электрическое оборудование судна –

Часть 510: Особенности – Высоковольтные

системы подачи электроэнергии с берега.

Взято в сентябре 2010 г. с сайта http://webstore.

IEC.ch/preview/info_ IECpas60092-

510%7Bed1.0%7Den.pdf.

работы вошли поставщики технологиче-ских решений, правительственные орга-ны, владельцы судов (в частности, круиз-ных судов, танкеров и контейнеровозов), классификационные общества и другие. МЭК, ISO и IEEE2 объединили свои уси-лия для создания стандарта, который сделает возможным чётко и однозначно унифицированное подсоединение подачи электроэнергии с суши.

Такой стандарт коснётся спецификаций, монтажа и тестирования береговых си-стем подач электроэнергии, станций и систем:– Береговая распределительная

система– Подсоединение между берегом и

судном– Трансформаторы/реакторы– Полупроводниковые и вращающиеся

преобразователи– Судовые системы распределения– Управление, наблюдение, блокировка

и системы управления энергиейЦель работ по стандартизации состояла в том, чтобы определить требования о том, что «техническая поддержка с при-менением подходящих операционных ме-тодов соответствующих судов для бы-строго подсоединения к соответствующим береговым сетям электропитаниями вы-сокого напряжения посредством соот-ветствующего соединения между бере-гом и судном» [1]. Это должно устранить необходимость для судов или эксплуа-тантов порта приспосабливать или регу-лировать свою инфраструктуру таким образом, чтобы сделать подсоединение энергии возможным.Было решено отказаться от первона-чальной цели, заключавшейся в созда-нии единого и глобального стандарта подсоединения для всех судов во всех портах. Потребности в электроэнергии и мощность судов отличаются настолько

5 Подача электроэнергии с берега на судно с помощью оборудова-ния АББ в Гётеборге (Швеция)

6 Береговая панель подсоединения производства АББ

С помощью произ-водимой на берегу электроэнергии, регулирующие ор-ганы могут нахо-дить ответы на конкретные мест-ные проблемы (за-грязнение) посред-ством конкретного решения, подходя-щего именно для данного места (по-дача электриче-ства с берега).

Footnote

2 МЭК – международная комиссия по электро-

технике; ISO – Международная организация по

стандартизации;

IEEE – Институт инженеров по электротехнике

и электронике (США)

41Пятиуровневый преобразователь

ФРЕДЕРИК КИФЕРНДОРФ, МИХАЭЛЬ БАСЛЕР, ЛЕОНАРДО

СЕРПА, ЯН-ХЕННИНГ ФАБИАН, АНТОНИО КОЧЧИА, ГЕРАЛЬД

ШОЙЕР – Современная силовая электроника вызвала револю-

ционные изменения в передаче и потреблении электроэнергии.

В области применения электроприводов способность произ-

вольно выбирать, а также непрерывно изменять частоту и

амплитуду выходного напряжения инвертора способствовала

существенному увеличению эффективности использования

электроэнергии и возможности ею управлять. Инверторы

формируют напряжение переменного тока путем переключения

с высокой частотой различных уровней напряжения постоянного

тока с помощью полупроводников. Форма выходного сигнала,

созданного таким образом, отличается от «идеальной» синусои-

дальной формы по причине формирования его из прямоуголь-

ных импульсов. Различие может быть достаточным для того,

чтобы сделать невозможным использование привода во многих

применениях, требующих более высокого «качества» напряже-

ния переменного тока. Одним из способов сделать энергоэф-

фективные преимущества электроприводов доступными для

более широкого применения является увеличение количества

уровней напряжения постоянного тока. Привод ACS 2000

концерна АББ выходит за пределы обычно используемых трёх

уровней напряжения, доводя их число до пяти. Кроме того,

благодаря своей оригинальной топологии, он помогает избежать

многих проблем, которые могли бы сделать пятиуровневый

преобразователь чрезмерно усложнённым.

Технология ANPC-5L и привод ACS 2000

Пятиуровневый преобразователь


ствует напряжение средней точки (ней-трали) рис. 1a; он может формировать уровни выходного сигнала, которые изо-бражёны на рис. 1с.Преобразователи проектировались та-ким образом, чтобы выйти за пределы описанных ограничений и вырабатывать пять уровней напряжения. Тем не менее, такие топологии часто достигаются це-ной куда более высокой сложности кон-струкции. Например, если из напряжения постоянного тока должно вырабатывать-ся пять, а не три уровня выходного на-пряжения, он потребует дополнительных фиксирующих диодов и конденсаторов, а также соответствующей схемы управле-ния и контроля зарядки конденсаторов. Альтернативный подход заключается в последовательном подключении преоб-разователей, что опять-таки усложняет цепи постоянного тока из-за необходи-мости гальванической развязки цепей питающего напряжения и, следователь-но, применения дорогостоящих транс-форматоров. Такие решения могут быть приемлемы для больших мощностей, но менее мощные средневольтные приводы требуют более простых решений.Концерн АББ решил вплотную заняться этими проблемами и нашёл решение, ко-торое может давать на выходе пять уров-ней выходного напряжения без усложне-ния цепей постоянного тока. Трёхуровневое звено постоянного тока само по себе не может дать пять уровней напряжения, и поэтому контуру требует-ся дополнительный конденсатор на фазу выходного напряжения. Но оригиналь-ность решения, найденного специалиста-ми АББ, состоит в том, что конденсатор остаётся в заряженном состоянии без необходимости наличия отдельной схемы управления зарядом конденсатора.

Технология ANPC-5LПринципиальная схема пятиуровневого преобразователя с активной средней точкой (ANPC-5L) показана на рис. 2a. Зарядка фазового конденсатора Cph поддерживается на уровне половины от напряжения конденсаторов звена посто-янного тока, т.е. одной четверти от обще-го напряжения звена постоянного тока. Общий принцип работы схемы может быть охарактеризован как трёхуровне-вый NPC-преобразователь плюс допол-нительный конденсатор. Этот фазный конденсатор переключается последова-тельно с трёхуровневым преобразовате-лем по мере необходимости и обеспечи-вает два дополнительных промежуточных уровня напряжения на выходе. Звено по-

И нвертор (устройство, преобра-зующее постоянный ток в пере-менный) работает по принципу переключения между различ-

ными уровнями напряжения постоянного тока. Таким образом, на выходе получа-ется не синусоидальная форма выходно-го сигнала, а высокочастотные прямоу-гольные импульсы, которые формируются для создания формы выходного сигнала, максимально схожей с синусоидой рис. 1с. Здесь можно привести одну анало-гию: возьмём цифровую фотографию, сделанную с низким разрешением. Изо-бражение на такой фотографии не будет в точности соответствовать оригиналу, поскольку малое количество пикселей ограничивает уровень детализации изо-бражения. Возможность как можно точ-нее воспроизвести идеальную синусои-дальную волну с помощью прямоугольных импульсов подобным же образом огра-ничена количеством доступных уровней напряжения. Тем не менее, в отличие от фотографии, разница заключается не только в эстетических аспектах: синусои-да неидеальной формы порождает гар-моники (ток и напряжение более высокой частоты), которые могут стать причиной ряда негативных последствий: от перегрузки изоляции и подшипников электродвигателя до соз-дания помех для другого оборудования. Фильтры подавления гармоник могут ис-пользоваться для сглаживания выходно-го сигнала путем поглощения проблем-ных гармоник, но они вызывают как дополнительные финансовые расходы, так и дополнительные потери энергии. Чтобы как-то справиться с воздействием таких гармоник, двигатели должны про-ектироваться с учётом дополнительных нагрузок (что исключает применение многих каталожных стандартных элек-тродвигателей), или же такие преобразо-ватели не смогут быть использованы в существующие применения. Следова-тельно, это веский довод в пользу преоб-разователя, который может создавать более правильную синусоиду выходяще-го тока.

Уровни инвертораСамый простейший инвертор представ-ляет собой двухуровневый преобразова-тель. Он называется двухуровневым, по-скольку в нём существуют только два уровня напряжения: прямое и обратное питающее напряжение постоянного тока. Трёхуровневый преобразователь со средней точкой (NPC) является продол-жением данной концепции, и в нём суще-

Технология ANPC-5L требует всего лишь одного до-полнительного конденсатора на фазу в сравнении с трёхуровневым преобразователем NPC.

1c Форма выходного напряжения (пример)

Выход преобразователя

Несущая частота

1 Основы инвертора напряжения со средней точкой (NPC) (показана только одна фаза)

1a Принцип работы

+ DC

VDC C

V

s

- DC

VDC C

i

1b Цепь

+ DC

VDC C

- DC

VDC C


3 Фазовые состояния преобразователя ANPC-5L

Ячейка 3 Ячейка 2 Ячейка 1 Уровень Выходное Влияние на Cph Влияние на Vnp Вектор пере-

S4 Snp2 Snp1 S1 S32 S21 S31 S22 выходного фазное i>0 i<0 i>0 i<0 ключения

сигнала напряжение

1 0 1 0 1 0 1 0 –2 –V 0 0 0 0 V0

1 0 1 0 1 0 0 1 –1 –V/2 – + 0 0 V1

1 0 1 0 0 1 1 0 –1 –V/2 + – – + V2

1 0 1 0 0 1 0 1 0 0 0 0 – + V3

0 1 0 1 1 0 1 0 0 0 0 0 – + V4

0 1 0 1 1 0 0 1 +1 V/2 – + – + V5

0 1 0 1 0 1 1 0 +1 V/2 + – 0 0 V6

0 1 0 1 0 1 0 1 +2 V 0 0 0 0 V7

4 Две различные цепи тока, обеспечивающие одинаковое напряжение на выходе

4a Вектор переключения V6 из рис. 3

Обратное направление тока в Cph

позволяет поддерживать конденсатор в заряженном состоянии.

4b Вектор переключения V5 из рис. 3

+VDC

+VDC

-VDC

-VDC

NP NPVDC

/2 VDC

/2PH PH

стоянного тока идентична звену постоян-ного тока трёхуровневого NPC преобра-зователя. Топология ячейки 1 на рис. 2b полностью идентична топологии анало-гичной ячейки трёхуровневого NPC-преобразователя рис. 1b. По аналогии с такой схемой, ключи в виде биполярных транзисторов с изолированным затво-ром (IGBT) в ячейке 1 имеют номинальное значение в размере половины напряже-ния звена постоянного тока. Поскольку дополнительный конденсатор заряжен на четверть от напряжения звена постоян-ного тока, номинальное значение IGBT в ячейках 2 и 3 определено для такого по-ниженного напряжения. Применение устройств со сниженным напряжением способствует простоте устройства пре-образователя. Простота и практичность дизайна проявляются ещё более отчётли-во, если принять во внимание то, что тре-буется лишь один дополнительный кон-денсатор на фазу в сравнении с трёхуровневым NPC-преобразователем. Преобразователь обеспечивает полную четырёхквадрантную функциональность (энергия преобразуется в обоих направ-лениях).

Принцип работы ANPC-5LКлючи ячейки 1 (на рис. 2b) работают в качестве дополнительных устройств, при этом S1и Snp2 работают синхронно вместе (подобным же образом работают S4 и Snp1). Ключи ячейки 2 работают в противофазе друг другу, также как и ключи в ячейке 3. Общее количество ре-жимов переключений на фазу показано на рис. 3. Всего возможны восемь ре-жимов. Поскольку конвертер имеет все-го пять уровней выходного сигнала, не-которые режимы оказываются излишними. Тем не менее, вместо того, чтобы полагать, что некоторые режимы преобразователя не используются, луч-ше посмотреть на рис. 3, чтобы обнару-жить, что для двух из трёх якобы излиш-них пар режимов, а именно V1/V2 и V5/V6, обратный эффект может быть ока-зан на зарядку конденсатора фазы. На рисунке рис. 4 сравниваются V5 и V6, а также показано, как V6 вычитает VDC/2 из напряжения звена постоянного тока, тогда как V5 добавляет его к напряже-нию на нейтрали. В результате ток про-ходит через конденсатор фазы в обрат-ном направлении. Эта особенность может использоваться для поддержания требуемого напряжения на конденсато-ре фазы без дополнительной схемы за-рядки.

2 Принципиальная схема преобразователя ANPC-5L (показана только одна фаза)

2a Принцип работы

Конденсатор Cph

поддерживается в заряженном состоянии на половину от напряжения

конденсатора звена постоянного тока

2b Схема

+ DC

VDC

Cph

C

- DC

VDC C

SharedDC link

+

+

+

Ячейка 1

Ячейка 2 Ячейка 3

S1

S21

S32C

ph

Snp1C

C

Snp2

S4

S22

S31

Привод ACS 2000В конструкции привода ACS 2000 ис-пользованы два пятиуровневых преобра-зователя в «зеркальной» конфигурации (B2B). Схема привода ACS 2000 показана на рис. 5.

Конструкция механической части

Бестрансформаторный привод ACS 2000 рис. 6 спроектирован с целью макси-мального увеличения времени безотказ-ной работы с помощью модульной кон-струкции. Номиналы компонентов подобраны с учётом их расчётного срока службы, а также предусмотрен лёгкий

фронтальный доступ до всех критически важных компонентов. Конструкция фазо-вых модулей в форме выдвижных ящиков облегчает быструю и безопасную замену в случае неисправности.Ключевым элементом модульной концеп-ции является фазовый модуль рис. 7. В состав модуля входят основные компо-ненты одной фазы преобразователя (как показано на рис. 2b), включая силовые полупроводники, драйверы и конденса-тор фазы. Модуль также включает в себя интерфейсную плату для связи с более высоким уровнем управления и оборудо-вание для измерения тока и напряжения.


Это позволяет осуществлять простое подключение модуля, поскольку необхо-димо лишь подсоединить питание и опто-волоконную линию связи. Токонесущие соединения выполнены в виде соедини-тельных штепселей.Благодаря своей простоте модуль может быть заменён пользователем в течение нескольких минут.

ИспытанияПривод ACS 2000 испытывался в «зер-кальной» конфигурации. Были установле-ны два привода ACS 2000: испытывае-мый привод (DUT) и нагрузочный инвертор. Оба привода были подключе-ны в общую трёхфазную сеть и подсое-динены к соответствующим электродви-гателям (объединенных общим валом). Один из практических результатов такого подключения состоял в том, что только потери в системе электропривода долж-ны были покрываться за счёт питающей

Бестрансформа-торный привод ACS 2000 спроек-тирован с целью максимального увеличения вре-мени безотказной работы с помо-щью модульной конструкции.

6 Бестрансформаторный привод ACS 2000 мощностью 800 кВт, 6 кВ

5 Базовая конфигурация привода ACS 2000

Инвертор ANPC-5L

M

Выпрямитель ANPC-5L

Входной реактор

Входной фильтр

Звено постоянного

тока

Питающая сетьПитающая сеть для

вспомогательный устройств

ACS 2000

Шкаф управления

Шкаф силового оборудования

Система управления

Вспомогательные системы

IM

7 Фазовый модуль ACS 2000

сети. Поскольку оба привода (DUT и на-грузочный инвертор) относились к типу ACS 2000, было возможно одновременно наблюдать за двигательным и рекупера-тивным режимами работы привода. Так-же проводились длительные испытания в «зеркальной» конфигурации для под-тверждения высокой надёжности приво-дов.

Входные и выходные характеристики

Работа выпрямителя показана на рисун-ке рис. 8. Пятиуровневый преобразова-тель обеспечивает двигателю девять уровней линейного напряжения. Типич-ные формы сигналов тока и напряжения показаны на рисунке рис. 9. Новый пяти-уровневый инвертор формирует выход-ной сигнал, довольно близкий синусои-дальному и соответствующий требованиям для привода электродвига-телей, спроектированных для прямого подключения к питающей сети без необ-

8 Напряжение и ток на входе привода показывают, что коэффициент мощности при работе равен единице

Время (cек)

Ток и напряжение на диспетчерском пункте (РСС) источника питания

Ток

на

акти

вно

м в

ып

рям

ите

льн

ом

бл

оке

(A

RU

) (А

)

Фаз

ово

е н

апр

яжен

ие

на

AR

U (

В)

6000

4000

2000

0

-2000

-4000

-6000

150

100

50

0

-50

-100

-150

0,3 0,305 0,31 0,315 0,32 0,325 0,33 0,335 0,34

Ток

Напряжение


Новый пятиуровне-вый инвертор фор-мирует выходной сигнал, полностью соответствующий требованиям для работы с электро-двигателями, спро-ектированными для работы напря-мую от сети без необходимости снижения их пара-метров.

массы двигателя и нагрузки подаётся об-ратно через инвертор, чтобы компенси-ровать потери и поддержать напряжение в звене постоянного тока. Режим работы при отключённом энергоснабжении мо-жет поддерживаться, пока вращающаяся масса сохраняет энергию, достаточную для удовлетворения таких потребностей в электроэнергии. При восстановлении напряжения в питающей сети немедлен-но возобновляется ускорение двигателя до желаемой скорости.Полевые испытания на фактическом обо-рудовании заказчика отображены на ри-сунке рис. 10. Отключение питающего

напряжения сети длилось одну се-кунду. На рисунке рис. 10a показано падение до нуля напряжения в сети и тока на входе. На рисунке рис. 10c показан тормоз-ной момент элек-тродвигателя для рекуперации энер-гии во время от-ключения энергии с целью поддержа-ния напряжения в звене постоянного тока рис. 10b. При восстановлении напряжения в сети, крутящий момент

быстро возвращается в двигательный ре-жим.

Применение и успехиПривод ACS 2000 разработан для самых разных областей применения в различ-ных отраслях промышленности в рамках рынка приводов общего назначения, как показано на рисунке рис. 11.

ходимости снижения их параметров.

Работа во время нарушений режимов электропитанияСочетание многоуровневой топологии ANPC-5L и динамических характеристик прямого управления крутящим моментом может использоваться для предотвраще-ния отключения привода даже в случае нарушения режима электропитания в те-чение нескольких секунд. Работа также может продолжаться при отказе опреде-лённых вспомогательных систем питания в течение некоторого времени. Макси-мальная длительность нарушения режи-

ма электропитания, при которой не воз-никает аварии привода, зависит от нагрузки, механизма и рабочей точки в момент отключения энергии.При отключении энергоснабжения на-пряжение звена постоянного тока сохра-няется на определённом уровне для под-держания намагниченности двигателя. С этой целью энергия от вращающейся

Комбинация многоуровневой топологии ANPC-5L и дина-мических характеристик прямого управления момен-том могут применяться для предотвращения отключения привода даже в случае пере-рыва в подаче силового на-пряжения от сети в течение нескольких секунд.

9 Осциллограммы напряжения

9a пятиуровневое фазное напряжение 9b девятиуровневое линейное напряжение

Время (cек) Время (cек)

Фазное напряжение преобразователя Линейное напряжение преобразователя

Нап

ряж

ени

е (к

В)

Нап

ряж

ени

е (к

В)

6

4

2

0

-2

-4

-6

15

10

5

0

-5

-10

-150 0,01 0,02 0,03 0,04 0 0,01 0,02 0,03 0,04

Призы и награды

В декабре 2010 года консалтинговая компания Frost and Sullivan присудила приводу ACS 2000 награду как лучшему европейскому инновационному продукту 2010 года в номинации приводов средне-го напряжения. В заявлении фирмы Frost and Sullivan было сказано, что «данное из-делие обладает такими преимуществами, как гибкость подсоединения к питающей сети, низкое число гармоник, невысокое энергопотребление, простота монтажа и пуска в эксплуатацию, высокая надёж-ность и сниженная стоимость владения. Являясь единственным приводом с топо-логией на базе инверторов напряжения (VSI), без трансформатора и с запатенто-


11 Целевые отрасли и применения привода ACS 2000

Отрасли Применение

Цементная, горнодобывающая Конвейеры, дробилки, мельницы, вентиляторы и насосы

Химическая, нефтегазовая Насосы, компрессоры, экструдеры, миксеры и воздуходувки

Металлургия Вентиляторы и насосы

Целлюлозно-бумажная Вентиляторы, насосы, рафинеры, вакуумные насосы и измельчители

Энергетика Вентиляторы, насосы, конвейеры и угольные мельницы

Водоснабжение Насосы

Другие применения Испытательные стенды и аэродинамические трубы

ванным многоуровневым IGBT-управлением, привод ACS 2000 является важным достижением в секторе приво-дов среднего напряжения [. . .] Изделие обладает рядом дополнительных значи-мых характеристик, таких как простые монтаж, пуско-наладка и эксплуатация. Такие свойства являются особо важными с точки зрения конечного пользователя».

Фредерик Киферндорф

Леонардо Серпа

Ян-Хеннинг Фабиан

Антонио Коччиа (ранее работал в АББ)

Корпоративный исследовательский центр концерна

АББ в г. Баден-Детвиль, Швейцария

[email protected]

[email protected]

[email protected]

Михаэль Баслер

Отдел силовой электроники и приводов среднего на-

пряжения, Нью-Берлин, штат Вайоминг, США

[email protected]

Геральд Шойер

Отдел силовой электроники и приводов среднего на-

пряжения, Турги, Швейцария

[email protected]


Техническая информация, изложенная в данной

статье, основана на докладе, представленном на

симпозиуме в городе Пиза в июне 2010 года. Из-за

нехватки журнальной площади данная статья

подверглась значительному сокращению в

сравнении с оригинальным документом; читателям,

заинтересованным в более подробной информации,

рекомендуется ознакомиться с оригиналом [1].

Авторы хотели бы выразить благодарность своим

настоящим и бывшим коллегам за вклад в

разработку описанной технологии: П. Барбосе (P.

Barbosa), Н. Челановичу (N. Celanovic), М. Винкель-

нкемперу ( M. Winkelnkemper), Ф. Вильднеру (F.

Wildner), К. Гедерли (C. Haederli), П. Штаймеру (P.

Steimer), Й. Стайнке (J. Steinke) и многим другим.


[1] Kieferndorf, F., Basler, M., Serpa, L. A., Fabian,

J.-H., Coccia A., Scheuer, G.A. (июнь 2010 г.)

Использование технология ANPC-5L в

регулируемых приводах среднего напряжения.

Доклад был представлен на Международном

симпозиуме по силовой электронике, электро-

приводам, автоматизации и движущимся

механизмам в г. Пиза, Италия. Доклады

записаны на CD-ROM.


Приводы в изобилии встречаются на фабриках и

заводах; они производятся для всех классов

мощности, начиная от маломощных вентиляторов и

заканчивая мощными дробилками. На заглавном

рисунке изображена теплоэлектростанция в городе

Торревальдалига, Италия.

10a Питающая сеть

10b Напряжение в звене постоянного тока

10c Характеристики на выходе

10 Сохранение работоспособности при кратковременном нарушении режима электропита-ния: измерения во время отключения питания

Время (cек)

Время (cек)

Время (cек)

Характеристики работы выпрямителя во время отключения питания



Ток

на

вхо

де

(А)

Ско

ро

сть/

крут

ящи

й м

ом

ент,

%

Нап

ряж

ени

е зв

ена

по

сто

янн

ого

то

ка (

В)

Вел

ичи

на

нап

ряж

ени

я в

сети

80

60

40

20

0

100

50

0

-50

10500

10000

9500

9000

8500

8000

7500

7000

8000

6000

4000

2000

00 1 2 3 4 5 6

0 1 2 3 4 5 6

0 1 2 3 4 5 6

Выпрямитель

Инвертор

Скорость

Крутящий момент

47Время собирать урожай

ФИЛИПП НЕННИНГЕР, МАРКО УЛЬРИХ – Для снижения времени

простоя и повышения надёжности, необходимо обладать

большими знаниями о работоспособности производственного

оборудования. Большинство такой информации обеспечивают

датчики. Установка дополнительных датчиков означает допол-

нительную проводку и, следовательно, увеличение монтажных

расходов. Устранение такой проводки не только снизит издерж-

ки, но также упростит процесс монтажа в целом. Поскольку

энергопотребление многих промышленных датчиков весьма

умеренное, использование аккумулятора выглядит вполне приемлемым решением. Тем не менее, замена элементов питания с определёнными интервалами вполне в состоя-

нии свести на нет экономию от установки беспроводных датчиков. Альтернативное решение проблемы известно как извлечение энергии из окружающей среды, пред-ставляющее собой процесс, при котором энергия (окружающей среды, движения, ветра, света), извлекае-мая из внешних источников, улавливается и накаплива-ется для электропитания маломощных электронных устройств. Энергия окружающей среды в изобилии имеется в обрабатывающей промышленности, и именно в этой отрасли были отмечены первые успехи в её извлечении.

Извлечение энергии из окружающей среды для создания полностью автономных устройств в промышленном производстве

Время собирать урожай


но, направление сообщений (как послед-ствие ячеистой организации сети), наря-ду с требованиями постоянного поддержания безопасности, оказывают влияние на стоимость энергии, что долж-но восполняться за счёт достижения оп-тимизации низковольтного оборудова-ния.

Низковольтная оптимизацияВ плане оптимизации низковольтного оборудования существуют некоторые различия между проводными и беспро-водными устройствами, и мы возьмём «проводной» промышленный темпера-турный измерительный преобразователь АББ, TTH300, чтобы проиллюстрировать этот момент. Устройство TTH300 питает-ся от токовой петли 4–20 мА и замеряет, например, сопротивление четырёхпрово-дного датчика Pt100 (и, следовательно, температуру на конце датчика) в течение очень коротких интервалов, которые, в зависимости от типа и конфигурации дат-чика, могут составлять 10 мс. Поскольку

петля тока 4–20 мА беспрерывно даёт до 40 мВт энергии, эффективность устрой-ства ограничена энергией, которую оно в состоянии извлечь, в то время как коли-

ботанная в концерне АББ, удалённая система измерения и автоматизации, яв-ляется одним из таких примеров.Как и в случае с технологией создания полевой шины, любой беспроводной про-токол, который стремится к достижению критической массы, требует установле-ния общего стандарта, который был бы поддержан всеми изготовителями такого устройства. Один такой стандарт дей-ствительно существует: он назван WirelessHART. WirelessHART – это первый международный беспроводной стандарт, который был разработан специально для соответствия требованиям со стороны сетей полевых устройств. Надёжность сети – это один из ключевых пунктов в автоматизации производствен-ного процесса. Аспект беспроводных се-тей, который влияет на надёжность – это участок ячеистой сети. Ячеистые сети обеспечивают пространственно разне-сённые резервные каналы между двумя точками сети с помощью передачи сооб-щений по различным маршрутам, что, в свою очередь, повышает отка-зоустойчивость связи и позво-ляет хорошо спроектирован-ной сети раз-вить устойчи-вость к отказам, как линий свя-зи, так и у с т р о й с т в маршрутиза -ции. Кроме того, пространственная избыточность ячеистой сети гарантирует надёжную связь, даже в промышленном, научном и медицинском диапазоне (ISM). Безуслов-

Б еспроводные технологии в тече-ние примерно последних 15 лет оказали существенное влияние на отрасль, а развитие техноло-

гий, происходившее в то же самое время, означает постепенное принятие таких технологий на вооружение перерабаты-вающей промышленностью, в особенно-сти для мониторинга производственного оборудования.Срок службы оборудования автоматизи-рованных предприятий обычно составля-ет приблизительно 20 лет, и чтобы до-стичь максимального уровня возврата инвестиций за этот период, КПД эксплуа-тации предприятия должен быть как можно выше. Так как предприятие может сохранять свою работоспособность только в том случае, если всё необходи-мое оборудование работает как часы, вы-сокая надёжность компонентов является суровой необходимостью. Такая надёж-ность может быть достигнута посред-ством мониторинга оборудования, даю-щего шанс на выявление потенциальных дефектов в оборудовании до их возник-новения и своевременное устранение первопричины. В этих целях может по-требоваться дополнительная информа-ция с датчика. Эта информация может поступить либо с уже установленных дат-чиков, способных обеспечить необходи-мые измерения, таких как датчики пере-пада давления АББ, используемые для обнаружения закупорки импульсной ли-нии (PIL), либо с дополнительных датчи-ков, размещённых в других местах про-изводственного процесса. Если требуются дополнительные датчики, за-траты на монтаж должны оставаться на минимальном уровне, чтобы максималь-но увеличить выгоду от их эксплуатации. Но поскольку проводка и монтаж могут составлять до 90 процентов от общей стоимости прибора, есть смысл изучить возможность применения беспроводных устройств.

Беспроводные технологииБеспроводные решения, безусловно, не являются новым словом в перерабатыва-ющей промышленности; фактически, они впервые получили широкую известность уже в 1960-х. Тем не менее, эти решения применялись главным образом в специа-лизированных продуктах для определён-ных рынков, таких как AquaMaster произ-водства АББ, электронный счётчик коммерческого учёта расхода воды и счётчики суммарного объёма перекачи-ваемой жидкости в нефтегазовой про-мышленности. Система Totalflow, разра-

Поскольку проводка и мон-таж могут составлять до 90 процентов от общей стоимо-сти прибора, есть смысл из-учить возможность примене-ния беспроводных устройств.

1 Срок службы батареи электропитания в течение интервала измерения идеализированного температурного измерительного преобразователя

Интервал(-ы) измеренияС

ро

к сл

ужб

ы б

атар

еи э

лек

тро

пи

тан

ия

(а)

101

10-1 100 101 102

Итого

В режиме ожидания

В активном режиме

Срок хранения батареи электропитания


нию подлинно автономного устройства мы рассматриваем извлечение энергии из окружающей среды (EH). Процесс EH преобразует энергию, имеющуюся в про-цессах рис. 2, в полезную электроэнер-гию, которая, в свою очередь, использу-ется для питания беспроводных устройств. Типичными источниками такой энергии являются процессы холодной и горячей обработки, солнечная радиация, вибрация и кинетическая энергия движу-щихся сред или механизмов. Наиболее многообещающими из числа указанных источников являются солнечная энергия, термоэлектрические и кинетические пре-образователи.

Солнечная радиация

Хотя технологии преобразования солнеч-ной энергии в электрическую являются на сегодняшний день вполне надёжными и зарекомендовавшими себя с наилуч-шей стороны, их применение в закрытом пространстве жёстко ограничено. Если интенсивность излучения на открытом воздухе может достигать примерно 1000 Вт/м2, обычное значение в закрытом по-мещении едва достигает 1 Вт/м2 [1]. Дру-гим словами, объём извлекаемой энер-гии ограничен.

Термическое электричество

Термоэлектрические генераторы (TEG) извлекают электроэнергию из тепловой энергии (т.е. перепада температур между процессами горячей или холодной обра-ботки и окружающей средой), используя явление Зеебека1 [2]. Тогда как эффек-тивность TEG весьма мала, как правило, менее 1 процента, сама технология впол-не надёжна и стабильна. Часто значи-тельный потенциал перепада температур имеет место в обрабатывающей про-

чество энергии, потребляемое самим устройством, значения не имеет.С другой стороны, беспроводной датчик не должен измерять температуру не-сколько раз в секунду, поскольку боль-шинство промышленных беспроводных сетей, применяемых в обрабатывающей промышленности, практически не под-держивают такие короткие интервалы обновления данных. В интервалах между замерами измерительный преобразова-тель должен выполнять лишь свою сете-вую функцию, а именно, направление со-общений на другие узлы. В остальное время электронная часть может оста-ваться в так называемом энергосберега-ющем режиме, при котором не происхо-дит ни расчётов, ни измерений, благодаря чему потребляется лишь небольшая доля энергии.В энергосберегающем режиме можно приблизительно рассчитать потребление электроэнергии устройством, взяв энер-гопотребление в активном рабочем и в энергосберегающем режиме, а также ко-личество рабочих циклов устройства. Для описанного выше беспроводного устройства рабочий цикл примерно кор-релирует со временем, необходимым для обновления информации датчика. Если не принимать во внимание саморазрядку батареи питания, то мы получим пример-ный срок её службы. Такой расчёт для идеального устройства показан на рис. 1.

Извлечение энергииЗамена батарей питания на регулярной основе не всегда возможна, поскольку такая замена, в зависимости от конфигу-рации всего устройства, может свести на нет всю экономию от применения бес-проводных устройств. Вместо этого, в качестве возможного решения по созда-

3 Полностью автономный температурный измерительный преобразователь

Извлечение энер-гии конвертирует энергию, имеющу-юся в промышлен-ном производстве, в полезную элек-троэнергию.


1 Открытое Томасом Йоханном Зеебеком в

1821 году, явление Зеебека – это явление,

при котором разность температур между

двумя разнородными проводниками или

полупроводниками порождает разность

потенциалов между этими двумя

проводниками или полупроводниками.

2 Извлечение энергии позволяет осуществлять конверсию энергии, создаваемой в ходе промышленного производства, в электроэнергию

Солнечная радиация

Вибрация

Тепло

Потоки жидкости


против, временами система извлечения энергии может поставлять больше пита-ния, чем необходимо в действительности.

Характеристики энергопотребления ти-пичного беспроводного датчика также непостоянны: в зависимости от рабочего цикла и интервалов обновления, могут иметь место пиковые нагрузки, которые необходимо компенсировать, поскольку системы ЕН не в состоянии обеспечить питание в таких случаях краткосрочного повышенного энергопотребления. По су-ществу, каждой системе EH необходим буферный элемент для поддержания энергоснабжения в тех случаях, когда устройство извлечения энергии не в со-стоянии обеспечить блок датчика доста-точным объёмом питания. В число типич-ных буферных элементов входят:– Суперконденсаторы или специальные

конденсаторы с различными чередую-щимися слоями. Такие конденсаторы выдерживают высокие пиковые нагрузки по току.

– Перезаряжаемые аккумуляторы.– Обычные гальванические элементы.

Они не в состоянии накапливать избыточный объём энергии, поступаю-щей из системы EH, но могут исполь-зоваться для обеспечения периодиче-ского питания, подачу которого не может обеспечить система.

– Обычные промышленные гальваниче-ские элементы. Такие элементы имеют весьма продолжительный срок хранения с небольшим уровнем саморазрядки, и они представляют собой отличную альтернативу в качестве надёжного буферного элемента.

Недостатком обычных литий-ионных ак-кумуляторов является ограниченное ко-

зонанса устройства извлечения энергии совпадает с частотой внешнего возбуж-дения. Использование приводов с пере-менными частотами в производственном процессе де-факто ограничивает приме-нение систем извлечения энергии из ви-браций.

Компоненты и архитектура систем

Извлечение энергии из окружающей сре-ды не обязательно должно представлять собой непрерывный процесс: например, в случае применения фотоэлектрических устройств вне помещений, смена дня и ночи приведёт к нестабильности источ-

ников энергии; простой на предприятии может привести к образованию различий в температурных процессах, что может повлиять на энергию, вырабатываемую термоэлектрическими генераторами; и, наконец, приводы переменной частоты могут привести к различному выходу по току устройств извлечения энергии. На-

мышленности. Следовательно, наличе-ствуют большие объёмы тепла и энергии, которые могут обеспечиваться TEG про-мышленного применения и быть доста-точными для питания различных узлов беспроводных датчиков при различных сценариях.

Кинетические преобразователи

Прямое преобразование механического движения, например, вибраций, в элек-троэнергию может достигаться с помо-щью различных преобразователей:– В электромагнитных преобразовате-

лях применяется подвесная катушка, двигающаяся в статическом магнит-ном поле небольшого постоянного магнита. Такая схема преобразует энергию по закону Фарадея.

– Пьезоэлектрические преобразовате-ли, основанные на пьезоэлектриче-ских материалах. При использовании чувствительной массы, закреплённой на растяжке, кинетическое движение вызывает смещение этой массы, что передаёт механическое усилие на пьезоэлектрический материал.

– Электростатические преобразователи, основанные на конденсаторе пере-менной ёмкости. Когда прикладывает-ся механическое усилие, действие происходит в направлении, обратном притяжению противоположно заря-женных пластин конденсатора. В результате, происходящие в конденса-торе изменения образуют электриче-ский ток в закрытой цепи.

В двух словах, все принципы кинетиче-ского преобразования основаны на меха-ническом резонаторе, и такие системы в состоянии образовывать только опреде-лённый объём энергии, если частота ре-

4 Занимая всего лишь 8 мм2 площади, мини-TEG обеспечивает высокое напряжение на выходе

5 Числовые термальные моделирования

Концерн АББ раз-работал полно-стью автономный температурный измерительный преобразователь с использованием полностью инте-грированной си-стемы ЕН.

Источник: Micropelt GmbH Распределение температуры процесса 80°C (выделено красным)

Температура окружающей среды 25°C (выделено синим)


шают основную проблему беспроводных блоков датчиков: отпадает необходи-мость замены гальванических элементов, что, в свою очередь, помогает снизить общие расходы на обслуживание обору-дования. Несмотря на то, что EH возмож-но не для всех датчиков и не при всех обстоятельствах, оно является жизне-стойким источником энергии для широ-кого спектра устройств. Полностью авто-номные устройства могут помочь лучше понимать и контролировать производ-ственные процессы, а значит, повышать их прибыльность.

Филипп Неннингер

Марко Ульрих

Корпоративный исследовательский центр АББ Ла-

денбург, Германия

[email protected]

[email protected]


[1] Muller, M., Wienold, J., Reindl, L. M. (2009).

Характеристика фотоэлектрических устройств,

установленных в закрытых помещениях и

фотоэлектрического освещения. Протокол

Конференции специалистов по фотоэлектриче-

ству IEEE: 000738-000743.

[2] Vining, C. B. (2001). Холодные полупроводники.

Nature, 413 (6856), 577–578.

[3] Nenninger, P. , Ulrich, M., Kaul, H. (2010). К вопросу

питания беспроводных устройств в автоматиза-

ции производства. На заседаниях Симпозиума

по интегрированным средствам обработки и

передачи данных IFAC (218–224).

[4] Nurnus, J. (2009). Термоэлектрические тонкоплё-

ночные генераторы энергии – автономный источ-

ник питания для интеллектуальных систем.

Заседания по интеллектуальным датчикам,

активаторам и микроэлектромеханическим

элементам IV: Вып. 7362-05. Дрезден..


Получение энергии для производства электричества

подобно сбору урожая зерна для производства муки.

ние поддержания стабильности и надёж-ности измерительного преобразователя. В большинстве случаев температура про-изводственного процесса выше темпера-туры окружающей среды и, следователь-но, «горячая» сторона термоэлектрического генератора должна быть подсоединена к производственной

линии с наиболее оптимальной те-плопроводностью. Были проведены многочисленные числовые модели-рования для увели-чения потока тепла через TEG рис. 5. Другая («холод-ная») сторона гене-ратора должна ох-лаждаться, и,

следовательно, соединяться с окружаю-щей средой с помощью теплопоглотите-ля, который должен быть расположен на расстоянии, достаточном, чтобы предус-мотреть толстый изоляционный слой, по-крывающий технологический трубопро-вод в ряде применений. При минимальном перепаде температуры между производ-ственным процессом и окружающей сре-дой в размере 30 К, система может вы-рабатывать достаточный объём энергии для питания электронной аппаратуры как при измерениях, так и при беспроводной связи. Если перепад температур превы-шает 30 К, производимая энергия превы-шает потребности, и она может, напри-мер, использоваться для более быстрого обновления данных.

Взгляд в будущееТемпературные измерительные преобра-зователи, питающиеся от систем EH, ре-

личество циклов разрядки/зарядки.Устройствам извлечения энергии и бу-ферным элементам для подлинно авто-номной подачи электроэнергии необхо-дима соответствующая система управления энергией (РМ). PM выполняет две основные функции:– регулирует характеристики напряже-

ния и тока на выходе системы ЕН в соответствии с требованиями на входе устройства-потребителя энергии.

– плавно переключается между буфер-ными накопительными элементами и различными источниками ЕН.

Автономный температурный преобра-зователь АББВ ходе исследований, осуществлённых концерном АББ, был разработан полно-стью автономный температурный преоб-разователь рис. 3, использующий полно-стью интегрированную систему ЕН. Термоэлектрические генераторы были интегрированы в устройство таким обра-зом, чтобы факторы производительности и стабильности, а также коэффициенты формы температурного преобразователя

не изменялись в течение срока его служ-бы при значительном повышении функ-циональности. В устройстве было приме-нено интеллектуальное решение устройства накопления энергии на слу-чай недостаточности температуры произ-водственного процесса для выработки необходимого объёма потребляемой энергии.Габариты отдельных температурных преобразователей не позволяли инте-грировать обычные термоэлектриче-ские генераторы, как правило, имею-щие макроскопические размеры, от 10 до 20 см2.

Вместо них использовались новаторские термоэлектрические мини-генераторы, выпускаемые с применением технологий на основе печатных элементов [4] рис. 4. Основной проблемой при интегрирова-нии этих двух устройств было обеспече-

Полностью автономные устройства помогут инженерам лучше контролировать производственные процессы

Полностью автономные устройства помогут лучше понимать и контролировать производственные процес-сы, а значит, повышать их прибыльность.


ГЁРАН ПАУЛССОН, ЙОХАН КАРЛССОН, ЮССИ РАУТЭЭ – Электрические

двигатели и генераторы – основа нашей промышленности, самый необходи-

мый элемент для приводных компрессоров и насосов, а также для выработ-

ки электроэнергии. Поскольку, это – электрические устройства, они пред-

ставляют существенный риск при эксплуатации во взрывоопасной среде,

например, в нефтегазовой промышленности. Искра, горячая поверхность

или высокое электрическое поле, например, электрическая корона (жужжа-

щий звук, который иногда можно услышать под высоковольтной линией) –

всё это является потенциальной угрозой безопасности в среде, насыщенной

взрывоопасными газами. Крупные синхронные и индукционные двигатели,

разработанные концерном АББ, сертифицированы в соответствии с

последними требованиями к безопасности, международным стандартам

МЭК, гарантирующим искробезопасную эксплуатацию.

Синхронные и индук-ционные двигатели и генераторы с гарантированной искробезопасной эксплуатацией

Искро- безопасность

53Искробезопасность

Конструкция и сертификация вы-соковольтных син-хронных и индук-ционных двигате- лей АББ сокраща-ет время на за-пуск и снижает требования к об-служиванию.

нией Shell, концерн АББ представил доклад [1] на расширенной европейской конференции IEEE PCIC 1 в 2008 г. Стан-дарты, представленные в данной работе, были разработаны Международной Электротехнической Комиссией (МЭК), организацией, ведущей свою деятель-

ность на протяжении свыше ста лет и за-нимающейся преимущественно вопроса-ми международных правил и стандартов рис. 3. В течение долгих лет, стандарты и

блеме включают снижение капитальных затрат, уменьшение эксплуатационных расходов и ускоренный запуск двигателя. Кроме того, благодаря отсутствию до-полнительно требуемых компонентов по-вышается надёжность. Сертификация также может существенно снизить из-держки. Например, на нефтеперераба-тывающем заводе вентилирование двигателя в тече-ние всего лишь по-лучаса вызовет су-щ е с т в е н н ы е расходы из-за про-стоя и невыпущен-ной продукции.Разработка стан-дартов МЭК 60079 началась после нескольких серьёзных происшествий – взрывов из-за искрения двигателей, работающих во взрывоопас-ных условиях нефтяных и газовых плат-форм в Северном море, случившихся в 1980-е и 1990-е годы рис. 2. Совместно с Национальным физико-техническим институтом Германии (Physikalisch-Technischen Bundesanstalt, PTB) и компа-

В течение многих лет концерн АББ предпринимал шаги в обла-сти проектирования и производ-ства, направленные на превы-

шение официальных стандартов качества и безопасности, являющихся первосте-пенными для заказчиков. В 2010 году все крупные синхронные двигатели и генера-торы концерна были сертифицированы в соответствии с самыми строгими между-народными стандартами (МЭК 60079-15:2010 и МЭК 60079-7:2006); сегодня вся линейка низко- и высоковольтных двигателей и генераторов концерна АББ сертифицирована для эксплуатации на опасных участках рис. 1.Заказчики, применяющие не протестиро-ванное или не сертифицированное обо-рудование, обычно оснащают двигатель вытеснительной системой подачи топли-ва, что приводит к большим расходам на воздушные компрессоры большой ёмко-сти, монтаж трубопровода и блок управ-ления вентиляцией. Проводя испытания и сертификацию своих двигателей, АББ помогает своим покупателям рационали-зировать процессы оценки производ-ственных рисков.Преимущества подхода АББ к этой про-

Несмотря на значительный прогресс в автоматизации производства, изготовление электродвигателя весом 80 тонн по-прежнему требует огромного ручного труда.


1 IEEE PCIC – Институт инженеров по

электротехнике и электронике и Комитет по

нефтяной и химической промышленности


рость вращения, пропорциональная ча-стоте источника переменного тока; т.е., двигатель работает синхронно. Намагни-чивание ротора обычно производится внешним устройством. Эти двигатели мо-гут проектироваться для постоянной ра-боты в среде 2 зоны опасности, и класси-фицируются как «Ex nA, искробезопасные машины».

1 Принципы взрывозащиты

Окружающая среда в химической, нефтяной

и газовой отраслях подразделяется на

опасную и безопасную. В опасной окружаю-

щей среде содержатся потенциально

взрывоопасные составляющие, такие как

газы, пары, дымка или пыль. Такие среды

подразделяются по степени риска на основе

наличия и концентрации взрывоопасных

веществ:

– Зона 0 – Постоянная взрывоопасность.

– Зона 1 – Взрывоопасность среды в

период порядка 1000 часов в год.

– Зона 2 – Взрывоопасность среды в

период порядка 10 часов в год.

Для машины, размещённой в опасной среде,

необходимы различные типы защиты для

предотвращения возгорания любого

возможного взрывоопасного вещества.

Международные стандарты определяют типы

защиты, обеспечивающие промышленную

деятельность в двух зонах, 1 и 2. Целью

такой защиты является предотвращение

потенциальных источников взрывной

опасности, в число которых входят, как

правило, горячие поверхности и искры.

2 Типы защиты «n» и «е»

Стандарт МЭК 60079–15:2010 определяет

требования, предъявляемые к строительству,

испытаниям и нанесению отметок для

электрооборудования Группы II с типом

защиты «n» (искробезопасная), предназна-

ченного для применения в среде с наличием

взрывоопасных газов в зоне 2. Данный

стандарт применяется к электрооборудова-

нию, номинальное напряжение которого не

превышает 15 кВ среднеквадратичного

значения переменного или постоянного тока.

Стандарт МЭК 60079–7:2006 определяет

требования, предъявляемые к строительству,

испытаниям и нанесению отметок для

электрооборудования Группы II с типом

защиты «е» (усиленная безопасность),

предназначенного для применения в среде с

наличием взрывоопасных газов в зонах 1 и 2.

Данный стандарт применяется к электрообо-

рудованию, номинальное напряжение

которого не превышает 11 кВ среднеквадра-

тичного значения переменного или

постоянного тока.

3 Стандарты МЭК

15 сентября 1904 года делегаты

Международного Электрического Конгресса

в Сент-Луисе, штат Миссури, США, приняли

доклад, в который было включено

следующее предложение: «Должны быть

предприняты шаги с тем, чтобы обеспечить

сотрудничество технических кругов всего

мира посредством создания

представительной комиссии для

рассмотрения вопроса стандартизации

номенклатуры и номинальных характеристик

электрических устройств и машин».

В соответствии с этим решением в июне

1906 в Лондоне и была основана МЭК. С тех

пор МЭК занимается разработкой

стандартов, правил безопасности,

испытаниями и спецификациями

комплектующих для электротехнических

отраслей промышленности всего мира. В

задачи группы входит всё – от

конденсаторов, резисторов,

полупроводников, приборов радиосвязи и

электрического оборудования до

электродвигателей.

В 1930 году МЭК способствовала

установлению, в том числе, герца (Гц) в

качестве единицы частоты, гаусса (G) в

качестве единицы плотности магнитного

потока и гильберта (Gi) в качестве единицы

магнитодвижущей силы.

В 2005 МЭК опубликовала многоязычный

словарь электротехнических терминов на 13

языках.

4 Поперечное сечение изолированной высоковольтной катушки

5 Обмотанный и пропитанный статор, готовый к дальнейшей сборке

Особое внимание при размещении катушек внутри статора должно быть уделено обе-спечению доста-точного расстоя-ния во избежание коронных разря-дов.

Индукционный или асинхронный двига-тель – это двигатель переменного тока, в котором ротор намагничивается посред-ством электромагнитной индукции, но скорость его вращения немного ниже синхронной скорости; т.е. двигатель ра-ботает асинхронно. Эти двигатели могут проектироваться для постоянной работы в среде 1 зоны опасности, и они также известны как «Ex e, машины с повышен-ной безопасностью».28 января 2010 вступили в силу новые стандарты МЭК для оборудования, поме-щённого во взрывоопасную среду. Осно-вываясь на предыдущих разработках и испытаниях, большая часть изделий АББ из числа синхронных и индукционных двигателей высокого напряжения и гене-раторов была приведена в соответствие с этими стандартами. Остальное обору-дование было приведено в соответствие в течение 2010 г.

Несмотря на значительный прогресс в автоматизации производства, изготовле-ние электродвигателя весом 80 тонн по-прежнему требует огромного ручного труда. Например, на заводе АББ в городе Вестерос (Vasteras) в Швеции, приблизи-тельно 200 двигателей и генераторов в

испытания, сформулированные этой ор-ганизацией, стали для отрасли, произво-дящей электродвигатели, чем-то вроде лицензии на изготовление и продажу без-опасных и эффективных в эксплуатации электродвигателей.

АББ и стандартыКонцерн АББ выпускает два типа элек-трических двигателей высокого напряже-ния - синхронный и индукционный - на заводах в Швеции, Финляндии, Италии, Южной Африке, Китае и Индии. Синхрон-ный электродвигатель – это двигатель переменного тока, который отличает ско-

55Искробезопасность

высокого напряжения сокращают время запуска и снижают требования к обслу-живанию. В то время как меньший пери-од окупаемости и уменьшенные затраты на обслуживание, безусловно, выгодны, более существенным является то, что безопасность эксплуатации сертифици-рованных двигателей АББ была под-тверждена на практике, поскольку испы-тания являются единственным путём проверить безопасность работы обору-дования де-факто рис. 6.

Гёран Паулссон

Йохан Карлссон

АББ, Отдел дискретной автоматизации и движения,

механизмы, Вестерос, Швеция

[email protected]

[email protected]

Юсси Раутээ

АББ, Отдел дискретной автоматизации и движения,

Ноттинг Хилл, Австралия

[email protected]


[1] Rautee, J., Lienesch, F., Liew, T. (2008). Усовер-

шенствование искробезопасных двигателей

повышенной безопасности. Европейская

конференция нефтяной и газовой промышлен-

ности – применения электрооборудования и

контрольно-измерительной аппаратуры, Веймар,

Германия.


Нефтяные и газовые платформы предъявляют

особые требования к предотвращению искрения.

Эксплуатируемые на них двигатели подвергаются

самой строгой сертификации.

близко друг к другу, существует риск воз-никновения электрической короны. На-личие достаточного объёма воздуха меж-ду катушками и оптимизация их расположения позволяет установке ра-ботать с максимальной эффективно-стью. Использование материалов, пода-вляющих электрическую корону, также представляется весьма существенным.Дизайн и сертификация крупных син-хронных и индукционных двигателей АББ

год производятся на заказ в точном соот-ветствии с техническими заданиями по-купателей. На этом предприятии рабочие с помощью специального станка кропот-ливо сгибают полосы изолированной ми-канитом меди размером с указательный палец, чтобы придать необходимую точ-ную форму рис. 4. На следующем этапе готовые катушки изолируются дополни-тельным слоем миканита до помещения в статор.Физика электрических двигателей явля-ется относительно несложной и хорошо понятна многим; тонкости проявляются в том, что касается изоляции медных кату-шек, которые вворачиваются в статор и связываются друг с другом стекловоло-конным тросом. Затем весь статор про-питывается эпоксидной смолой; этот процесс называется пропиткой под ваку-умным давлением (VPI). После пропитки статор сушится в печи, чтобы приобрести свои окончательные электрические и ме-ханические свойства рис. 5.

Такая система изоляции Micadur®-Compact Industry (MCI) гарантирует гер-метичную и однородную изоляцию, при-водящую к низким диэлектрическим потерям, высокой электрической и меха-нической прочности и отличной теплопе-редаче в самом статоре. Тогда как такая изоляция является опробованной и заре-комендовавшей себя с наилучшей сторо-ны, особое внимание при размещении катушек внутри статора должно уделять-ся обеспечению достаточного расстоя-ния во избежание коронных разрядов. Если катушки расположены чрезмерно

6 Испытания

Испытания на соответствие стандарту МЭК

60079-15:2010 в части искробезопасности

двигателей и генераторов требуют трёхминутно-

го теста статора во взрывоопасной газообразной

окружающей среде. Тест является обязательным

для двигателей с номинальным напряжением

свыше 1 кВ, эксплуатируемых в среде с

присутствием, например, водорода, этилена или

ацетилена, и свыше 6,6 кВ для двигателей,

эксплуатируемых в среде со следами пропана,

дизельного топлива, ацетона, этана, аммиака и

доброй дюжины других взрывоопасных газов и

паров.

Во время теста обмотка статора покрывается

слоем пластика, который затем наполняется

взрывоопасным газом, таким как смесь

водорода с воздухом, как показано на рисунке

справа. Затем статор подвергается изменению и

увеличению напряжения (синусоидального) до

определённого испытательного уровня. Если

произойдёт взрыв газа, вызванный слабой

искрой в обмотке статора, то пластик сломается

и даст выход волне давления. Определённое для

испытаний напряжение в полтора раза

превосходит номинальное. Чтобы результаты

испытаний были признаны успешными, не

должно произойти возгорания взрывоопасной

газовой смеси.

В соответствии с испытаниями, проведёнными

Национальным физико-техническим институтом

Германии (Physikalisch-Technischen Bundesanstalt,

PTB) в 2004 и 2009 гг., статоры производства

АББ искробезопасны до 13,8 кВ включительно

для водорода (представляющего группу газов IIC)

и 15 кВ для этилена и пропана (представляющих

группы газов IIB и IIA).

Для индукционного двигателя с ротором типа

«беличья клетка», ротор также испытывается во

взрывоопасной газообразной среде на

возможное возгорание от стержней ротора.

Такой тест на возгорание ротора не представля-

ется необходимым для синхронного ротора из-за

различий в конструкции.

В этом же стандарте, МЭК 60079, определены

соответствующие испытания индукционных

двигателей с улучшенной защитой от возгорания.

28 января 2010 вступили в силу новые стандарты МЭК. Основываясь на предыдущих разработках и ис-пытаниях, большая часть изделий АББ из числа синхрон-ных и индукцион-ных двигателей вы-сокого напряжения и генераторов была приведена в соот-ветствие с этими стандартами.


Синхронные двигатели с регулируемыми приводами, повышают эффективность производственных процессов

Движение вперёд

ХАЙНЦ ЛЕНДЕНМАНН, РЕЗА Р. МОХАДДАМ, АРИ ТАММИ,

ЛАРС-ЭРИК ТАНД – Электродвигатели потребляют

приблизительно 60–65 процентов от всего электричества,

используемого в промышленности. Более эффективное

использование энергии посредством повышения

эффективности работы двигателя является ключевым моментом

в оптимизации двигателей. Основная экономия электроэнергии

достигается с помощью приводов с регулируемой скоростью

вращения, и на сегодняшний день эта технология используется

уже в 30–40 процентах от всех установленных за последнее

время двигателей. Использование и стабильные инвестиции

также требуют повышенной надёжности и более длительного

срока службы двигателя. Обтекаемая конструкция ротора

синхронных реактивных двигателей концерна АББ устраняет

потери в клетке ротора, таким образом увеличивая

эффективность и компактность двигателя. Возможность

достижения стандартного уровня мощности и крутящего

момента с помощью простого повышения температуры

класса-A (60 K) продлевает срок службы изоляции двигателя,

подшипников или интервалов смазки двигателя.

57Движение вперёд

20–40 процентов для такого же класса теплостойкости изоляции.Синхронные двигатели поставляются в различном исполнении: двухобмоточный с бесщёточными возбудителями; двига-тель с постоянным магнитом (РМ); двига-тель, основанный на принципе магнит-ного сопротивления (часто называемый синхронным реактивным двигателем или Syn-RM). У ротора SynRM нет ни прово-дящей короткозамкнутой клетки, как и в случае с IM, ни постоянных магнитов, ни обмотки возбуждения поля. Вместо это-го используется принцип магнитного со-противления.

Синхронный реактивный двигательМагнитное сопротивление является маг-нитным эквивалентом сопротивления в электрических цепях. Ротор состоит из одного направления наименее возмож-ного магнитного сопротивления (d) и перпендикулярного направления (q) с высоким магнитным сопротивлением или хорошей магнитной «изоляцией» рис. 1. Крутящий момент создаётся, по-скольку ротор пытается выровнять маг-

граничных условиях выдвинули на пер-вый план потенциальные возможности упростить дизайн двигателя и повысить его эффективность. Один хорошо из-вестный подход состоит в использова-нии синхронных двигателей (СМ). СМ с четырёхполюсным ротором, работаю-щим на частоте 50 Гц, вращается син-хронно с источником тока со скоростью ровно 1500 оборотов в минуту. Соответ-ствующий индукционный двигатель (IM), тем не менее, испытывает потери за счёт скольжения, и вращается на скорости только 1475 оборотов в минуту при взя-том в качестве примера напряжении 30 кВ. В современных IM с короткозамкну-той клеткой ротора, потери, связанные с ротором, составляют 20–35 процентов от всех потерь двигателя. Синхронное вращение устраняет большинство таких потерь.Устранение х вызванных скольжением потерь ведёт к повышению эффективно-сти примерно от 0,6 процента (двигатель на 220 кВт) до 8 процентов (для 3 кВт), а также к повышению мощности двигате-ля и плотности крутящего момента на

Возможность работы на высо- ких скоростях помогает устранить элементы механической трансмиссии, такие как, например, редукторы.

Э лектродвигатели широко при-меняются в промышленности. Синхронные реактивные дви-гатели АББ меньше по габари-

там, что позволяет машиностроителям проектировать более компактное, лёг-кое и эффективное оборудование. Кро-ме того, возможность работы на высо-ких скоростях помогает устранить элементы механической трансмиссии, такие как, редукторы. Всё это, в конеч-ном счете, позволяет осуществить инте-грацию двигателя и погрузочного обору-дования, всё больше и больше востребованную на сегодняшний день.Чтобы удовлетворить спрос на более эффективный и компактный двигатель с повышенным сроком службы и снижен-ными требованиями к обслуживанию с помощью нового типа двигателя, кото-рый также будет отлично подходить к приводу с регулируемой скоростью вра-щения, (VSD), концерн АББ радикально пересмотрел все технологические вари-анты. Запуск двигателя VSD сильно от-личается по сравнению с прямым пу-ском от сети. Это и другие изменения в


жение на уровне привода.

Другим основным преимуществом дви-гателя АВВ SynRM является простая конструкция ротора. Лишённая магни-тов и клетки, конструкция ротора явля-ется более надёжной в сравнении с IM или РМ. Кроме того, отсутствует риск постоянных потерь производительности из-за возможного размагничивания в случае отказа или перегрева. Двигатель изначально безопасен в эксплуатации, так как, не имея магнитов, не индуциру-ется никакая противоэлектродвижущая сила, и защита преобразователя от пе-ренапряжения становится излишней. Наконец, редкоземельные материалы для постоянных магнитов относительно дороги, и их поставки на некоторые рын-ки могут быть ограничены из-за геогра-фического местоположения основных поставщиков сырья.Устранение большинства потерь в рото-ре и его обтекаемая конструкция дают ряд преимуществ, как самому двигате-лю, так и связанному с ним оборудова-нию рис. 3. Двигатель, оснащённый этой технологией, можно эксплуатировать с определённым стандартами МЭК уров-нем мощности для данного типоразме-ра. В этом случае, выигрыш в произво-

дительности с технологией VSD варьируется в диапазоне от 5 процентов для однокиловаттных двигателей до приблизительно 0,5 процентов для са-мых больших двигателей (типоразмер

гателя с переключаемым сопротивлени-ем, или шаговым двигателем с абсолют-но другим статором, концепцией обмотки и несинусоидальными волнами тока; двигатель часто считался неподхо-дящим для промышленного использова-ния из-за высокого уровня шума. Упоминавшимся недостатком SynRM яв-ляется высокая потребность в токе при таком же крутящем моменте, как и у двигателя PM, поскольку ротор должен намагничиваться через статор. Тем не менее, коэффициент мощности, как видно из сети, определяется преобразо-вателем энергии и он примерно одина-ков во всех эксплуатационных режимах, даже для SynRM.

Промышленный двигатель для систем VSDВ проекте ротора и управлении привода двигателя ABB SynRM, ток двигателя, обратно пропорциональный коэффици-ентам мощности и полезного действия, (� 1/(η*cos(ρ)) , фактически ниже, чем у небольшого индукционного двигателя с таким же крутящим моментом и скоро-стью вращения, в основном из-за значи-тельного выигрыша в производительно-сти. Только для больших двигателей ток в преобразователе выше, чем у IM с таким же крутя-щим моментом. В целом, двигатель ABB SynRM рабо-тает с таким же ти-поразмером при-вода (например, ACS850), как и IM с такими же мощно-стью и крутящим моментом, хотя и при повышенной удельной мощности и с бо-лее высоким КПД в сравнении с IM. По-вышение КПД двигателя преобразуется в практически одинаковое энергосбере-

Для малых двигателей на 3–4 кВт свыше 60 процентов энергии может получаться при таком же повышении температуры.

нитное проводящее направление по полю статора. Величина полученного крутящего момента напрямую связана с соотношением между частями полюсно-го деления, т. е. коэффициентом индук-тивности между двумя направлениями намагничивания ротора. Изобретение концепции синхронного реактивного двигателя датируется 1923 годом. Тем не менее, промышленный выпуск этого типа двигателя так и не был начат преи-мущественно из-за нехватки мощности для прямого запуска. Сегодня, с помо-щью контроллеров с регулируемой ско-ростью, это препятствие устранено рис. 2.В 1982 году были открыты постоянные магниты на основе неодима, железа и бора (NdFeB). В результате для сервод-вигателей была принята новая техноло-гия с применением постоянного магнита (РМ), которая на сегодняшний день по-является во многих промышленных при-менениях, таких как безредукторные низкоскоростные моментные двигатели [1]. И вновь слишком мало внимания было уделено незатейливому двигателю типа SynRM.Кроме того, не все ранее опубликован-ные работы по SynRM преуспели в том, чтобы продемонстрировать превосходя-щую силу крутящего момента или более высокую эффективность в сравнении с IM, как ожидалось на основе вычисле-ний: факт, упомянутый экспертами и учё-ными для объяснения того, почему дви-гатель SynRM используется сегодня столь редко. По-видимому, эти прежние результаты были следствием недоста-точной оптимизации работы преобразо-вателя. Действительно, в некоторых пу-бликациях были продемонстрированы весьма многообещающие результаты, и в них более подробно изучались элек-тромагнитные аспекты проекта [2], [3]. Важно отметить отличие SynRM от дви-

2 Срок реализации инноваций в двигателях низкого напряжения

Год

140

120

100

80

60

40

20

0

Вес

ста

нд

артн

ого

чет

ыр

ёхп

ол

юсн

ого

ин

дук

ци

он

но

го д

вига

тел

я н

а 4

кВ

т (к

г)

Сравнение измеренных номинальных значений в

рамках технологии

5 hp = 3.7 kW

1900 1950 2000

Раз-мер

Индукционный двигатель

SynRM Выход

1003.3kW

η=83%

4.3kW

η=90%

+30-

45%

160 22kW 29kW +32%

280 90kW 110kW +22%

Индукционный двигатель

Синхронный реактивный двигатель АББ

Введение стандарта МЭК

Внедрение SynRM

1 Синхронный реактивный двигатель и принцип крутящего момента

q

T

T d Ψ

d

w

Pp = Пары полюсов двигателя


мом повышении температуры. Для дви-гателя на 60 кВт выгода составляет примерно 40 процентов, а для двигателя на 220 кВт – 20 процентов по сравнению с IM. В большинстве случаев, одинако-вый объём энергии может быть получен от двигателя, который на один или ино-гда на два типоразмера меньше, чем IM. Уменьшение площади основания замет-но для всех применений, в которых мо-гут использоваться конструкции мень-шей высоты и более компактные двигатели. Дополнительный выигрыш – уменьшенная тепловая нагрузка на со-седние компоненты, особенно в закры-тых электрошкафах. Даже с этой значительно увеличенной удельной мощностью, ещё одно важное преиму-щество вытекает из устранения потерь на роторе: так как большая часть тепло-передачи через вал ликвидирована, тем-пература подшипника, особенно на при-водном конце, уменьшается. Если сравнивать АВВ SynRM с IM на 6 кВт, это уменьшение составляет 30 K, с прибли-зительным сокращением от 15 до 20 K, типичным для всего спектра двигателей.

Этот эффект особенно заметен на более высоких скоростях, а также при эксплу-атации при более высоких классах тем-пературы. Эта в целом высокая произ-водительность сохраняется даже при таком высоком выходном уровне. Кроме того, у АВВ SynRM отличная кривая КПД при частичной нагрузке, которая типич-на для синхронных двигателей, то есть эффективность остаётся высокой даже при частичной нагрузке, что особенно ценится в приводах VSD для вентилято-ров и насосов.

Наконец, эти роторы показывают при-близительно 30 – 50-процентное сниже-ние инерции из-за отсутствия клетки и магнитов. В самых динамических приме-

315). Следовательно, там, где IM рабо-тал бы при повышении температуры до F-класса (105 K), АВВ SynRM работает всего лишь при повышении температуры до А-класса (60 K) рис. 4. Для сравне-ния, при работе с компрессором со ско-ростью вращения 4500 оборотов в ми-нуту, двигатель АВВ SynRM показывает ещё более низкую температуру подшип-ника при работе с фактическим повыше-нием до Н-класса (125 K) в сравнении с более крупным IM, работающим при по-вышении до F-класса (105 K). Поэтому такой двигатель был также назван «хо-лодным» рис. 5. Такая работа с низкой температурой продлевает срок службы изоляции двигателя, подшипников или интервалы смазки. В частности, под-шипники двигателя требуют и регуляр-ного обслуживания, и в соответствии с некоторыми исследованиями отказ под-шипников является основной причиной примерно 70 процентов незапланиро-ванных выходов двигателя из строя. Сниженная температура подшипников непосредственно продлевает интервалы смазки, уменьшает объём обслуживания и повышает надёжность. Даже если под-шипник в конце концов потребует заме-ны, отсутствие магнитной силы, в отли-чие от двигателя РМ, сделает замену такой же простой, как и в случае с IM.Технология обеспечивает эффективное использование крутящего момента на более высоких скоростях. При других применениях этой технологии, в работе часто поддерживается обычная темпе-ратура B- или F-класса. Так как особен-но тяжело игнорировать потери на рото-ре, если сравнивать с потерями на статоре, их практическое устранение оказало значительное влияние на эф-фективность вращающего момента. Для маломощных двигателей на 3 или 4 кВт, может быть получено на целых 60 про-центов больше энергии при том же са-

Работа с низкой температурой продлевает срок службы изоляции двигателя, подшипников или интервалы смазки.

3 Распределение потерь и эффективность

Номинальная мощность (кВт)

Пр

ои

зво

ди

тел

ьно

сть

(%)

пр

и с

ни

жен

ии

по

тер

ь

98

96

94

92

90

88

86

84

1 10 100 1000

SynRM

IM

Индукционный

двигатель

Снижение потерь: 10–30% (Пример: 15 кВт @1500 об/мин)

Синхронный

реактивный

двигатель

Причина потерь

Сердечник ротора

Проводник ротора

Аэродинами- ческие

подшипники

Сердечник статора

Проводник статора

нениях, таких как подъёмные краны, та-кое снижение означает дальнейшие пре-имущества в энергоэффективности, а также ускоренные циклы подъёма бла-годаря более высокой скорости отсле-живания графика нагрузки.

Конструкция ротора и её надёжностьБольшинство технических аспектов си-стем привода АВВ SynRMs непосред-ственно основано на существующей тех-нологии. Корпус, клеммная коробка, статор, дизайн и технология обмотки, а также варианты подшипников идентич-ны IM. Поскольку 3-х фазный ток являет-ся синусоидальным, приводы тех же ти-пов могут управлять этим типом двигателя, если программируемое обо-рудование оптимизировано и включает этот тип двигателя. Отличается только ротор.Ротор не такой сложный, как в IM и PM. Слоистые панели из электрической ста-ли закреплены на валу, а сложность за-


зультатов этой комплексной оптимиза-ции с использованием FEM, аналитиче-ских и генетических алгоритмов, состоял в том, что было установлено, что конфи-гурация с 4 полюсами лучше всего под-ходит для всего спектра скоростей вплоть до 6000 оборотов в минуту.

Чтобы проверить надёжность нового ро-тора, в течение всего этапа разработки проводились интенсивные испытания системы привода и двигателя (см. за-главный рисунок, страницы 56-57). Усло-вия привода насосов, вентиляторов, компрессоров, кранов и горнодобываю-щих механизмов были смоделированы с помощью метода испытаний под форси-рованной нагрузкой (HAST). Циклы HAST были спроектированы специально для этого двигателя, чтобы гарантировать надёжную работу в течение всего срока эксплуатации. Например, в ходе одного успешного эксперимента, проводимого с высокой частотой повторения, двига-тель запускался и выключался на скоро-сти выше допустимых по каталогу значе-ний. Счёт рабочих циклов и условия перегрузки были рассчитаны таким об-разом, чтобы соответствовать более чем 20-летнему сроку эксплуатации при со-блюдении номинальных значений.

Преобразователь и управление приводаОбычная технология приводов АББ, ис-пользуемая для двигателей IM и РМ со стандартным прямым управлением кру-тящим моментом (DTC), была адаптиро-вана для применения в SynRM в каче-стве нового типа двигателя. Несмотря на множество общих характеристик с дви-гателем РМ, за исключением нулевого потока ротора, основной акцент в ходе разработок был сделан на оптимизацию силы крутящего момента посредством управления максимальным крутящим моментом в расчёте на ампер (MTPA). Это гарантирует сохранение минималь-ного тока двигателя в каждом рабочем режиме. Управление также включает возможности длядиапазона ослабления поля, т. е. диапазона скоростей, превы-шающих номинальную скорость. Макси-мальная расчётная скорость в полтора раза выше номинальной может быть до-стигнута для большей части диапазона режимов работы двигателя. Это управ-ление приводом является особенно важ-ным результатом для АББ, так как оно позволяет двигателю SynRM достичь за-метно более высокой интенсивности крутящего момента, чем у IM.

Состояния приво-да насосов, венти-ляторов, компрес-соров, кранов и горнодобывающих механизмов были смоделированы с помощью метода испытаний под форсированной нагрузкой (HAST).

4 Температурные классы

Температура окружающей среды – это температура воздуха, окружающего двигатель. Это пороговое значение или температура, которую должен иметь полностью отключенный и остывший двигатель.

Повышение температуры – это изменение в двигателе, работающем с предельной нагрузкой. Различие между пусковой температурой двигателя и его конечной повышенной температурой является повышением температуры двигателя.

Стандартный метод измерения повыше-ния температуры включает замер различия между холодным и горячим активным сопротивлением обмотки. Это даёт среднее изменение температуры всей обмотки, включая соединительные провода двигателя, лобовые части обмотки статора и проводку, расположен-ную глубоко в пазах статора. Так как некоторые из этих точек нагреваются сильнее других, при расчёте коэффици-ента допуска используется средняя температура, чтобы показать вероятную

температуру в самой нагретой точке. Такой допуск известен как «допуск на температуру в самой нагретой точке».Виды изоляции разбиваются на классы в соответствии с её сопротивлением термическому старению и отказам. Четыре общих класса изоляции обознача-ются литерами A, B, F или H. Температур-ные свойства каждого класса – это максимальная температура, при которой изоляция может обеспечить средний срок службы продолжительностью 20 000 часов.

Эксплуатация двигателя при пониженном росте температуры в сравнении с разрешённым в рамках соответствующего класса изоляции может изменить теплоёмкость двигателя, что позволит ему выдерживать температуру окружающей среды выше обычной; при этом срок службы двигателя увеличивается.На графике ниже показаны номинальные значения температур, допуски роста температур и допуски на температуру в самой нагретой точке для стандартного двигателя в различных корпусах.

180

155

130

120

105

40

0

Диапазон в зоне максимальных температур

°C

Допустимое повышение температуры

5

10

10

15

Максимальная температура окружающей среды

Класс изоляцииМаксимальная температура обмотки

A B F H 105 130 155 180

40 40 40 40

60 80 105 125

ключается в самом проекте. Интенсив-ное моделирование методом конечных элементов (FEM) использовалось для того, чтобы тщательно спроектировать поперечное сечение в том, что касается электрических и механических свойств. Важным выбором в ходе проектирова-ния стали количество магнитных сегмен-тов и точная форма воздушных барье-ров, что определяет силу крутящего момента и ток намагничивания двигате-ля. Минимизация этого реактивного тока была критически важной для поддержа-ния предпочтительной номинальной мощности привода. Точное размещение сегментов вдоль периферии существен-но для создания плавного крутящего мо-мента во время вращения, снижая, та-ким образом, уровень шума в сравнении с обычными двигателями. Одним из ре-


VSD. Стандартный IM, оснащённый но-вым ротором в сочетании со стандарт-ным приводом с новым программным обеспечением, привёл к созданию высо-копроизводительной и высокоэффек-тивной системы VSD. Характеристики производительности и эффективности сравнимы с приводом двигателя РМ, но использование технологий, связанных с надёжным индукционным двигателем, позволяют использовать преимущества двигателей обоих типов.

Хайнц Ленденманн

Реза Раджаби Мохаддам

Корпоративный исследовательский центр, Весте-

рос, Швеция

[email protected]

[email protected]

Ари Тамми

АББ Отдел дискретной автоматизации и движения,

двигатели и генераторы, Вааса, Финляндия

[email protected]

Ларс-Эрик Танд

АББ Отдел дискретной автоматизации и движения,

двигатели и генераторы, Вестерос, Швеция

[email protected]


[1] Haikola, M. Без редукторов: решение прямого

привода, разработанное концерном АББ,

успешно отвечает требованиям растущего

глобального спроса. «АББ Ревю» 4/2009, 12–15.

[2] Boglietti, A., Cavagnino, A. Pastorelli, M., Vagati,

A., Экспериментальное сравнение рабочих

характеристик индукционного и синхронного

реактивного двигателей, протокол ежегодного

заседания на 40-й конференции IEEE IAS,

октябрь 2005, вып. 1, стр. 474–479.

[3] Germishuizen, J. J., Van der Merwe, F. S., Van der

Westhuizen, K., Kamper, M. J., Сравнение

рабочих характеристик синхронного реактивно-

го и индукционного приводов для электропоез-

дов, протокол ежегодного заседания на

конференции IEEE IAS, 8-12 октября 2000 г.,

вып. 1, стр. 316–323.


Система двигатель-привод проходит испытания под

форсированной нагрузкой (HAST)

Обзор эксплуатационных характери-стикПоскольку такому двигателю, как PM, требуется привод VSD, подходящие пары двигатель-привод ACS рекомендо-ваны для широкого спектра мощности и скорости рис. 6.

В качестве ответа на основные тенден-ции, господствующие на рынке, напри-

мер, повышенную производитель-ность, эффектив-ность, увеличение интервалов обслу-живания и сниже-ние площади ос-нования, компания выпустила на ры-нок полностью но-вый двигатель, от-лично подходящий

к системам VSD. Была достигнута повы-шенная на 20-40% удельная мощность в сравнении с IM, с конструкцией ротора без короткозамкнутой клетки и без по-стоянных магнитов, меньшие габариты с меньшим теплообразованием и самой высокой эффективностью для систем

Установка и эксплуатация электродвига-тельного привода для данного двигателя не отличаются от привода VSD с двига-телями IM или РМ. Стандартные особен-ности включают автоматическую иден-тификацию параметров, основанную на значениях заводской таблички и работу без применения датчиков. Двигатель не нуждается ни в каких датчиках скоро-сти, но, тем не менее, он может поддер-

живать высокую точность скорости, а также высокую динамику крутящего мо-мента. Размеры привода могут быть за-даны даже для специально указанной перегрузки и допустимой нагрузки в те-чение цикла.

5 Температурные сканы на термовидеокамере

°C50

45

40

35

30

25

Индукционный двигатель Синхронный реактивный двигатель

Дополнительным преимуще-ством является снижение те-пловой нагрузки на соседние части, особенно в закрытых электрошкафах.

6 Рабочие характеристики привода двигателя для моделирования

Рабочие характеристики новой системы привода двигателя даны для трёх типоразмеров

двигателя согласно МЭК

Более подробную спецификацию смотрите на сайте АББ: www.abb.com/motors&generators

Двигатель, рост температуры класса F Привод, 400 В

размер PN nN PN nmax Eff TN MM Код типа IN Шум Типо- MDмм kW r/min kW r/min %(1/1) Nm kg ACS-850-04 A dBA размер kg

100 4 1500 4 2250 84.3 25 22 010A-5 10.5 39 B 5

100 7.5 3000 7.5 4500 88.7 23 22 018A-5 18 39 B 5

100 13 4500 13 6000 90.5 27 22 030A-5 30 63 C 16

100 17.5 6000 17.5 6000 91.3 27 22 044A-5 44 71 C 16

160 26 1500 26 2250 91.7 165 180 061A-5 61 70 D 23

160 50 3000 50 4500 94.0 159 180 144A-5 144 65 E0 35

160 70 4500 70 5300 94.6 148 180 166A-5 166 65 E 67

280 110 1500 110 1800 96.0 700 640 260A-5 260 65 E 67

280 130 1800 130 2200 95.9 689 640 290A-5 290 65 E 67


63Другое альтернативное топливо

ВЕРНЕР ЯНИК, ЙОЗЕФ ЛАУЭР – По мере роста населения нашей планеты растёт и

спрос на энергию. Долгосрочными последствиями этого спроса будет снижение

поставок ископаемого топлива, которое в настоящее время является основным

источником энергии в мире. Тем не менее, ископаемое топливо на сегодняшний день

также «виновато» в большей части выбросов CO2, которые оказывают сильнейшее

воздействие на изменение глобального климата. Поэтому, пока остаётся стабильная

уверенность в производстве энергии на основе ископаемого топлива, этот

заколдованный круг будет сохраняться. Конечно, давно было известно, что выход из

этого затруднительного положения – это возобновляемые источники энергии. Тем не

менее, хотя и наблюдается быстрый прогресс в замене тепловых электростанций

возобновляемыми источниками энергии, многие проблемы всё ещё требуют своего

решения прежде, чем возобновляемые источники смогут внести заметный вклад в

общую энергетическую копилку человечества. К сожалению, время, отведённое нам

на поиски возобновляемых источников энергии или на осуществление прорыва в

ядерной энергетике, заканчивается. Параллельно с этой работой должны быть

предприняты действия, направленные на защиту планеты и сохранение её богатств и

биосферы для будущих поколений; этого можно достичь с помощью применения уже

разработанных методов рационального использования энергии и технологий.

Рациональное использование энергии является важнейшей составной частью неизменной энергетической политики для многих электростанций

Другое альтернативное топливо


Энергетические проблемы сегодняш-него дняВо всех регионах мира спрос на электри-ческую энергию растёт в два раза бы-стрее, чем спрос на первичную энергию рис. 1. Эта тенденция особенно примеча-тельна в развивающихся экономиках Ближнего Востока, Индии и Китая, где спрос на электроэнергию, как ожидает-ся, составит от 140 до 261 процента по сравнению с 89 и 116 процентами для первичной энергии.

Тем не менее, удовлетворение спроса на деле может нарушить баланс между про-изводством и потреблением электриче-ской энергии. Следовательно, глобаль-ная цель энергоэффективности должна состоять в производстве из имеющегося ископаемого топлива максимально воз-можного количества электрической энергии при одновременном снижении её потребления. Экономия каждого барреля нефти, необ-ходимого для производства электроэнер-гии, может быть классифициро-вана как «до-полнительное альтернативное топливо» для использования в других целях.

Рационализация использования энергии – другое альтернативное топливоЦепочка производства и потребления электроэнергии обычно содержит поте-

Б ольшинство производимой се-годня электрической энергии основано на сгорании ископае-мого топлива. По сути, угольное

топливо обеспечивает свыше 40 про-центов поставок электричества во всём мире, делая выработку электричества единственным поистине масштабным и наиболее быстрорастущим источником выбросов CO

2. Темп роста производства

возобновляемой энергии достаточно высок, и соотношение между использо-ванием энергии и уровнем выбросов мо-жет быть значительно снижено с помо-щью применения возобновляемых источников энергии. К сожалению, доля возобновляемой энергии в общем объ-ёме всё ещё слишком мала; продолжа-ются исследования возможностей суще-ственного увеличения объёма возобновляемой энергии.

Человечество не может позволить себе роскошь зря тратить время, и поэтому параллельно должны проводиться и дру-гие усовершенствования, если мы хотим оптимизировать энергопотребление и минимизировать негативные послед-ствия выброса парниковых газов в ат-мосферу. Проекты, разработанные Международ-ным Энергетическим Агентством (IEA) по-казывают, что значительный потенциал снижения выбросов CO

2 в течение бли-

жайших 20 лет кроется в более рацио-нальном использовании энергии в боль-шей степени, чем в любых других возможностях, вместе взятых. Примене-ние энергосберегающих технологий, ме-тодик и практик может немедленно по-влиять на (т. е. снизить) соотношение между экономическим ростом и энерго-потреблением. В области производства энергии, в частности, на тепловых элек-тростанциях, технологии и методики, тре-буемые для достижения этих целей, уже находятся в арсенале концерна АББ.

ри, основные из числа которых проиллю-стрированы на рис. 2. Это доказывает, что на пути от первичных источников энергии, таких как газ или нефть, до про-мышленного пользователя или жилой квартиры, теряется приблизительно 80 процентов энергии. Большинство этих потерь приходится на процесс выработки энергии электростанциями главным об-разом из-за основных термодинамиче-ских свойств непосредственно самого процесса. Возьмём для примера обыч-ную работающую на угле электростан-цию, которая может произвести 500 МВт электрической энергии брутто. Станция была построена приблизительно 25 лет назад с типовой эффективностью 34 процента с удельным расходом тепла 10,2 БТЕ на кВт-ч1. Даже при том, что станция была изначально спроектирова-на для работы с базовой нагрузкой, этот принцип с годами изменился, чтобы га-рантировать способность станции к удовлетворению более гибких требова-

ний со стороны сегодняшних электросе-тей, то есть, годовой коэффициент ис-пользования был снижен приблизительно до 70 процентов с учётом большой доли работы в режиме частичной нагрузки от 50 до 90 процентов.

В цепочке производства и потребления электроэнергии теряется до 80%, в основ-ном во время выработки.

1 Сравнение роста спроса на первичные энергоресурсы и электроэнергию

Спрос на первичные энергоресурсы

Спрос на электроэнергию

Источник: значения рассчитаны АББ на основе данных Сценария Текущих Политик МЭК на 2008-2035, содержащихся

в Прогнозе мировой энергетики за 2010 г.

Евросоюз и Сев. Америка

7.1% 25%

Ближний Восток (включая Израиль) и Африка

66% 128%

Индия

148% 292%

Китай

98% 210%

Латинская Америка

61% 89%


2 Потери до 80 процентов энергии могут происходить по всей энергетической цепочке

Первичные энергоресурсы

Им

еющ

аяся

эн

ерги

я

Транспорт

Выработка

Промышленная обработка Промышленное

производство

Передача и распределение

Теряется 80% энергии

3 Исследование с целью выявления возможностей, проведённое концерном АББ, обеспечило всестороннюю оценку широкого спектра аспектов управления энергией

Технология и управлениеИдентификация возможных улучшений с помощью

управления процессом, изменений оборудования или

альтернативных энергосберегающих технологий, как

правило, касающихся следующих энергосистем:

– оборудование с огневым подогревом

(газотурбины, печи, нагреватели и т.д.)

– Паровые котлы, турбины и системы

– Производство электроэнергии и оборудование

– Крупные насосные, вентиляторные и

двигательные системы

– Электрические системы – высоковольтные и

местные низко/средневольтные потребители

– Сжатый воздух и газ промышленного применения

– Отопление, вентиляция и кондиционирование

(HVAC)

– Промышленные морозильники и холодильники

Рабочие процессы и практикиОценка рабочих процессов и практик, имеющих

отношение к рационализации использования энергии

во всех местных процессах и к работе

вспомогательных систем с помощью всестороннего

рассмотрения в сравнении с передовыми практиками,

включая:

– Энергетическую стратегию и политику

– Способы управления энергией

– Капитальные инвестиции

– Информационные технологии

– Оперативное руководство

– Оперативное планирование и эксплуатационные

характеристики

– Обучение и развитие

– Практики и стратегии в области обслуживания

– Мотивацию персонала

Проекты IEA пока-зывают, что более рациональное ис-пользование энер-гии имеет больший потенциал для ограничения вы-бросов CO

2 в тече-

ние следующих 20 лет, чем все дру-гие варианты, вме-сте взятые.

Эта практика стала более или менее об-щепринятой во многих из числа сегод-няшних электростанций, и у неё изна-чально имелся потенциал для производства «альтернативного топли-ва», т.е. энергоэффективности.Но прежде, чем любая электростанция начнёт инвестировать капитал в энергос-берегающие технологии, придётся рас-смотреть три фундаментальных вопроса:– У кого есть «ноу-хау» и технологии вне-

дрения рентабельных процессов с низким энергопотреблением?

– Экономия какого типа может быть по-лучена?

– Как можно всего этого достичь?На первые два вопроса можно ответить одной фразой: процессы и технологии, разработанные АББ, дают возможность повысить эффективность использования энергии на 8–10 процентов. Если взгля-нуть на эту ситуацию с другой стороны, объём сэкономленного топлива и средств (в расчёте за год) на взятой за образец уже упоминавшейся выше электростан-ции на 500 МВт составляют:– Первичное энергопотребление: 1,4

млрд. кг (3 млрд. фунтов)– Дополнительная подача энергии в

сеть: 21,25 МВт-ч– Сэкономленная энергия: 22,5 млн.

кВт-ч– Снижение выбросов CO

2: 260 000

тонн– Эквивалентное дополнительное аль-

тернативное топливо: 340 миллионов фунтов (что достаточно примерно для заправки 850 автомобилей в течение одного года!)

В плане экономической осуществимости методов и технологий рационализации энергопотребления, опыт АББ показал, что для достижения этих целей вполне хватает среднего периода окупаемости от двух до трёх лет.

Методология рационализации энерго-потребления, разработанная концер-ном АББМетодология концерна АББ по рациона-лизации энергопотребления включает три стадии:– Стадия 1: Идентификация возможно-

сти– Стадия 2: Генеральный план– Стадия 3: ВнедрениеСоответствующие инструменты и мето-ды, используемые в этой методологии, были разработаны с помощью опыта, по-лученного в ходе работы в широком и разнообразном спектре производства энергии и процессов потребления на

многих станциях наших заказчиков в те-чение нескольких лет. Каждый шаг, пред-усмотренный в методологии рационали-зации энергопотребления, направлен на предоставление именно такой информа-ции, которая необходима для того, чтобы дать возможность эксплуатантам элек-тростанций возможность уверенно дви-гаться вперёд и, в конечном счёте, завер-шить программу внесения усовершенствований, способных обеспе-чить фактическую и стабильную эконо-мию энергии.

Идентификация возможностей

Целью первой стадии является оценка эффективности использования энергии, направленная на определение конкрет-ных возможностей осуществления усо-вершенствований, подтверждая, как, где и для чего используется энергия; опреде-ление участков неэффективного исполь-зования; сравнение текущих характери-стик с зарекомендовавшими себя передовыми промышленными практика-ми. Широкий диапазон аспектов управ-ления энергией в общих чертах обрисо-ван в рис. 3.На типичной работающей на угле элек-тростанции, похожей на уже упоминав-шуюся станцию 25-летней давности (т.е. выработка 500 МВт электроэнергии брутто, эффективность станции 34 про-


1 Британская тепловая единица (БТЕ) является

традиционной единицей измерения энергии,

равной примерно1055 килоджоулям; она

составляет приблизительно объём энергии,

необходимой для нагрева 454 грамм воды на

0,556°C.


цента, удельный расход тепла 10,2 БТЕ на кВтч, годовой коэффициент использова-ния приблизительно 70 процентов), аспекты, которые сформировали бы от-правные точки исследования по иденти-фикации возможностей, даны в рис. 4.

Оценив каждый из этих аспектов, специ-алисты АББ смогли бы описать характер и масштаб возможностей экономии энергии, и дать ясные рекомендации о том, какие дальнейшие шаги надо пред-принять для реализации дополнительных потенциальных выгод. После завершения процесса оценки эффективности потре-бления энергии на основе исчерпываю-щего набора идентифицированных про-ектных возможностей, наиболее

Характеристики и управление паротурбины

– Термодинамические характеристики

– Характеристики испарителя (при наличии)

– Оптимизация управления отбором/

противодавлением пара

– Управление турбиной – в качестве

отдельного агрегата и общее управление

мощностями для оптимальной тепловой

мощности

Характеристики и управление газотурбины (ГТ)


– профилактическое обслуживание ГТ

– Ухудшение характеристик

– Управление ГТ – в качестве отдельного

агрегата и общее управление мощностями

для оптимальной тепловой мощности

Характеристики и управление котлом


– Состояние питательной воды

– Управление котлом – в качестве отдельного

агрегата и общее управление котлами для

оптимальной тепловой мощности

– Системы распределения пара

Электрическое оборудование станции

– Двигатели и приводы (насосы и вентиляторы)

– Трансформаторы

– Распределительные устройства

– Полевые устройства

– Система сжатого воздуха

Система (системы) управления энергией

– Учёт, мониторинг и контроль энергии

– Тщательный анализ КПЭ и постоянные

оценки рабочих характеристик

– Интеграция в рамках политики управления

энергией

Оборудование панели управления

– Система приёма данных

– Аварийные системы

– Оборудование собственных нужд

Общая тепловая мощность станции

– Возможности дальнейшей оптимизации

4 Элементы исследования по идентификации возможностей для работающей на угле построенной 25 лет назад электростанции на 500 МВт с эффективностью 34 процента

– Оптимизация доставки угля

– Совершенствование управления потоками

в вытяжных и нагнетательных

вентиляторах

– Совершенствование управления насосом

питательной воды для котла

– Внедрение высокоэффективных

двигателей и приводов

– Оптимизированное управление турбинами

– Передовое управление температурой пара

– Стабилизация расхода теплоты и

оптимизация сгорания

– Снижение избыточного кислорода для

сгорания в котле

– Усовершенствованное управление

давлением и уровнем питательной воды

– Совершенствование

электроэнергетической установки

(ступенчатое повышение напряжения

генераторов и трансформаторы

собственных нужд)

– Снижение числа протечек

– Снижение потерь тепла

– Тепловая оптимизация работы

воздухоохладителя

6 Меры, определённые для совершенство-вания энергопотребления на угольной электростанции

5 График окупаемости инвестиций в идентификацию возможностей

Участок электростанции А1Рассматриваемый проект

ID101 PXXQ (Dys шасси)3.2.1 Установка привода VSD на 1 x насос

ID102 PXXW (Dys обмотка возбуждения)3.2.1 Установка привода VSD на 1 x насос

ID103 PXX Управление давлением3.2.1 Давление в системе насоса

ID104 PXX Система насоса3.2.1 Установка привода VSD на 1 x насос

ID105 Насосы PXX, PXY, PXzID106 Установка привода VSD на 1 x насос

ID108 VSD на каждой из указанных выше

насосных систем 3.2.1

ID107 PXX Система насоса3.2.1 Установка привода VSD на 1 x насос

ID109 SX Башня охлаждения3.2.1 Снизить «переохлаждение» - поднять

температуру циркулирующей воды

ID110 SX Башня охлаждения3.2.1 Установка привода VSD на вентиляторы

ID-00103

ID-00104

ID-00110

ID-00107

ID-00102

ID-00101a ID-00105b

Рас

чёты

по

тен

ци

альн

ой

эко

но

ми

и

Расчёт стоимости инвестиций

ни

зки

й

сред

ни

й

высо

кий

низкий средний высокий

многообещающие из их числа воплоща-ются в жизнь.

Другой способ определения того, какие отдельные меры должны приниматься – это использование графика окупаемо-сти, на котором представлен качествен-ный краткий обзор идентифицированных возможностей экономии энергии по от-ношению к ожидаемой экономии энергии и вероятной стоимости инвестиций рис. 5, или, говоря другими словами, на гра-фике окупаемости визуально представ-лена базовая интерпретация окупаемо-сти реализации идентифицированной возможности. Такая графическая оценка помогает быстро определить, какие меры (как правило, расположенные выше

оранжевой линии) обладают потенциа-лом хорошей окупаемости инвестиций.В примере с электростанцией, работаю-щей на угле, меры, окончательно иденти-фицированные как стоящие капиталов-ложений в рационализацию энергопотребления, и которые являются вполне типичными для подобных приме-ров, приведены на рис. 6.

В их число входят не только чисто техни-ческие меры, которые повысят эффек-тивность энергопотребления электро-станции; совершенствование производственного процесса как на уровне руководства станции, так и на уровне операторов также окажет суще-ственное воздействие. Примеры потен-циальных участков рационализации мож-но найти во многих производственных процессах электростанции:– Ручное отключение ненужных в дан-

ный момент устройств– Повышенная локализация частоты от-

клонения параметров изоляции– Разработка эффективной политики по

замене освещения– Введение политики по замене

устройств на основе оценки стоимо-сти срока службы (LCA)

– Разработка политики по профилакти-ческому обслуживанию

– Внедрение целевой программы эф-фективного пользования энергией.

Генеральный план

На этом этапе возможности, идентифи-


АББ, отдел производства электроэнергии,

Мангейм, Германия

[email protected]

Йозеф Лауэр

АББ, отдел автоматизации производства,

Монреаль, Канада

[email protected]


Даже при том, что темп роста доли возобновляемой

энергии и без того достаточно высок, продолжаются

исследования для более эффективного использова-

ния больших объёмов возобновляемой энергии.

ществлённых мер, как для технологий, управления, мониторинга и определения экономических показателей ТЭЦ, так и для рабочих режимов и практик.

Успехи, в особенности для работающих на угле электростанций, сильно зависят от эксплуатационного режима станции; у станций, которыми управляют в устано-вившемся режиме, есть лишь неболь-шой потенциал для оптимизации, в то время как те станции, для которых ха-рактерен режим работы с частичной на-грузкой, идеально подходят для прове-дения работ по идентификации возможностей рационализации исполь-зования энергии рис. 7.

В примере со станцией на 500 МВт, при-ведённом в данной статье, можно до-стичь повышения тепловой мощности на 8 процентов. Можно также добиться сни-жения выбросов парниковых газов на 8 процентов по отношению к увеличившей-ся выходной мощности станции. Этот по-казатель распределяется более или ме-нее равномерно между различными участками станции, в зависимости от влияния каждого из числа таких участков на общую паразитную нагрузку станции рис. 8.

Эти результаты могут быть достигнуты благодаря усилиям и находчивости спе-циалистов АББ в поисках наилучшего возможного решения рационализации потребления энергии электростанциями.

Вернер Яник

цированные на стадии оценки, перераба-тываются в подробный план внедрения. Генеральный план представляет собой набор проектов усовершенствований, каждый из которых имеет осязаемые и поддающиеся расчёту преимущества. Ге-неральный план в основном разрабаты-вается концерном АББ совместно с заказчиком, и в конце этапа разрабаты-вается чёткая «дорожная карта», включа-ющая подробные проектные специфика-ции, чтобы позволить осуществить максимально экономичное внедрение мер по экономии энергии. Некоторые из самых быстровыполнимых и простых мер могут быть уже осуществлены заказчи-ком в течение этой стадии без помощи со стороны АББ. Тогда как многие возмож-ности могут быть реализованы с помо-щью ключевых технологий АББ, те из них, которые не основаны на указанных технологиях, могут быть реализованы третьими сторонами.

Внедрение

Внедрение в большинстве случаев вы-полняется совместно силами АББ и за-казчика, или, в зависимости от проекта, только АББ с соответствующими пар-тнёрами или другими производителями оригинального оборудования.

Оценка успеховВсе осуществлённые методы усовершен-ствования эффективности использова-ния энергии будут совершенно бесполез-ны, если не будут отмечаться постоянные ощутимые эффекты. Следовательно, представляется существенным внедре-ние надлежащих инструментов для реги-страции и демонстрации достигнутых усовершенствований на всех соответ-ствующих участках станции. Эта инфор-мация необходима в отношении всех осу-

Во всех регионах мира спрос на электрическую энергию растёт в два раза быстрее, чем спрос на пер-вичную энергию. Эта тенденция осо-бенно примеча-тельна в развиваю-щихся экономиках Ближнего Востока, Индии и Китая.

7 Оценка стоимости энергии с применением трёхэтапной методологии АББ

Текущий расход энергии на

станцииИдентификация возможностей рационализации использования энергии в промышленности или не требующие значительных инвестиций проекты, которые могут быть реализованы в качестве «быстрого эффекта»

После идентификации проектов по экономии энергоресурсов и разработки генерального плана, проекты реализуются в соответствии с приоритетными планами.

Быстрый эффект

Идентификация возможности

Генеральный план

Внедрение

Теоретическое удельное

энергопотребление

Стоимость потерянной

энергии

Снижение расхода энергии Проекты

8 Определённые производственные участки электростанции потребляют большую долю всей потребляемой энергии

Общая паразитная нагрузка (%)

0 5 10 15 20 25 30 35 40

Котельная

Системы водоснабжения

Машинный зал

Обработка материалов

Сжатый воздух

Очистка отработанных газов

Резерв

Преимущества рационального использования

энергии в промышленности


ВОЙЦЕХ ПЯСЕЦКИ, МАРЕК ФЛОРКОВСКИ, МАРЕК ФУЛЬЧИК,

ПАВЕЛ КЛЫШ, ЭГИЛЬ СТРИКЕН, ПЁТР ГАВАНД – Удар молнии

при любых обстоятельствах – опыт не из приятных. Для

электрического оборудования это не только скачок напряже-

ния, который может нанести ущерб, но также внезапное и

быстрое повышение напряжения. В некоторых случаях перепа-

ды напряжения могут быть намного резче, чем в обычных

рабочих ситуациях, измеряемых по общим стандартам – они

могут резко увеличиться на мегавольты в течение микросекунд.

Изоляция, защищающая обмотку трансформаторов и двигате-

лей, обычно не предназначена для таких перепадов и может

быть серьёзно повреждена, если не была предусмотрена

дополнительная защита. Исследования показывают, что

несмотря на то, что каждая часть оборудования разрабатыва-

лась таким образом, чтобы выдержать обычный скачок напря-

жения, целых 35 процентов от общего числа диэлектрических

отказов энергетического оборудования могут быть вызваны

такими скачками [1]. Возможное решение состоит в том, чтобы

полностью заново спроектировать оборудование, чтобы лучше

справиться с такими перепадами. Более простой подход

включает добавление компонента, который защитит оборудова-

ние от скачков, не затрагивая нормальную повседневную

работу. Специалисты концерна АББ разработали именно такой

компонент.

АББ помогает защитить распределительные трансформаторы от быстрых перепадов напряжения

Как выдержать удар молнии

69Как выдержать удар молнии

уровня, значительно превосходящего основной уровень изоляции (BIL), опре-деляемый рабочим напряжением обору-дования. Кроме того, высокое dV/dt формы волны приводит к высокой нели-нейности первичного распределения на-пряжения на обычной обмотке, что при-водит к местной перегрузке системы изоляции рис. 3. Результаты экспери-ментов подтверждают этот факт и ука-зывают на то, что искровой зазор, воз-можно, не обеспечивает достаточную защиту для распределительных транс-форматоров [4] стандартного дизайна.Общее решение состоит в применении специального дизайна обмотки, включа-ющего дополнительные элементы (элек-тростатические экраны), уравнивающие первичное потенциальное распределе-ние. Такое решение помогает избежать местной перегрузки с помощью высоких значений dV/dt, но оно усложняет как дизайн, так и процесс производства трансформаторов. Кроме того, пиковое

перенапряжение, тем не менее, доходит до обмотки трансформатора, и таким образом, размеры изоляции должны быть такими, чтобы выдерживать пере-напряжение сверх стандартного уровня.

сков напряжения и соответствующее время нарастания. Особое беспокой-ство вызывают броски, время нараста-ния которых обычно ниже 1 мс [2], при-водящие к нелинейному начальному распределению напряжения на обмотке. Это начальное неравномерное распре-деление напряжения даёт высоковольт-ную нагрузку на изоляцию и может при-вести к пробою, образованию короны и частичной разрядке рис. 2.Увеличивающийся спрос на более высо-кий выдерживающий уровень также на-блюдается в сегменте распределитель-ных трансформаторов. Такой спрос удовлетворяется с помощью нетрадици-онных проектов обмотки, которые уве-личивают как проектные, так и произ-водственные затраты. Особое внимание уделяется трансформаторам, подвер-женным частым атмосферным разря-дам. Операторы таких сетей часто тре-буют соответствия самым требовательным стандартам с проведе-нием испытаний трансформаторов с крутым фронтом импульса. Финский стандарт SFS 2646 предписывает ско-рость нарастания напряжения (dV/dt) 2 МВ /мс [3]. Этот стандарт требует, чтобы трансфор-матор был защи-щён от перенапря-жения с помощью искрового зазора. Поскольку искровой зазор реагирует относительно медленно, напряжение на терминалах трансформатора может (при испытательных условиях) повышаться до

В ысокочастотные компоненты в спектре броска напряжения рис. 1 приводят к чрезмерно неравномерному распределе-

нию напряжения, что вызывает местную нагрузку на систему изоляции, выходя-щую далеко за пределы нормальной ра-бочей нагрузки. Кроме того, сложные внутренние конструкции электрического прибора могут действовать как много-резонансные контуры. Следовательно, высокие частоты могут дополнительно вызывать местное усиление. Получаю-щаяся в результате нагрузка на систему изоляции может представлять угрозу со-кращения срока службы всего оборудо-вания, и такая нагрузка часто приводит к внутренним коротким замыканиям.

Импульс напряжения, который может выдержать материал изоляции, в значи-тельной степени зависит от времени по-вышения импульса. Этот критерий обыч-но принимается во внимание при выборе типа изоляции для электродвигателей. Особого внимания требует изоляция су-хого типа для вращающихся электриче-ских механизмов, когда такие механиз-мы работают с приводами, которые используют полупроводниковые комму-тационные аппараты на высокой часто-те. Изготовители таких механизмов ча-сто указывают в руководствах по эксплуатации пределы амплитуд бро-

Особого внимания требуют скачки напряжения длитель-ностью менее 1 мс, приводя-щие к нелинейности первич-ного распределения напряжения в обмотке.

1 Перепады в энергетических сетях

Перепады в энергетических сетях приводят к перенапряжению и колебаниям фазового

напряжения и тока.

Перепады в энергетических сетях являются следствием:– внешних событий (например, ударов молний)– происшествий в самой сети (коммутирование, отказы)

Быстрые и очень быстрые перепады вызывают:– Перенапряжение– Скорость нарастания напряжения (dV/dt)– Высокие колебания частоты

50 Гц

+ =

ПеренапряжениеКолебания

dV/dt

0 4 8 12 16 20 (мс)


dt, которым часто подвергаются столбо-вые распределительные трансформато-ры? Кроме того, АББ стремится объеди-нить устройство с самим трансформатором.

Серийный дроссельный элемент может расцениваться в качестве альтернативы уже упоминавшейся специально разра-ботанной обмотке, в которой использо-ваны электростатические экраны для уравнивания распределения потенциала на высоких частотах. Серийный дрос-сельный элемент формирует фильтр низких частот, если он объединён с соб-ственной способностью трансформато-ра (при высокой частоте характеристики обмотки трансформатора могут быть представлены его перегрузочной спо-собностью). Эта способность меняется в зависимости от типа и размера устрой-ства. Для масляных трансформаторов она может составлять от одного до не-скольких нФ на фазу.

Частотная характеристика такого филь-тра может затем быть оптимизирована выбором соответствующих параметров

SmartChoke – защита на основе продольного полного сопротивленияСпециалисты концерна АББ разработа-ли альтернативу такому специальному дизайну трансформатора, спроектиро-вав последовательно соединённый фильтрующий элемент (называемый дросселем) на входе защищаемого обо-рудования. Основной принцип работы серийного элемента заключается в обе-спечении соответствующей частотной зависимости полного сопротивления рис. 4. Это решение делает устройство практически проницаемым на частоте 50 или 60 Гц, одновременно подавляя ком-поненты чрезмерно высокой частоты.

Эксперименты продемонстрировали эффективность этого метода в сокра-щении скорости dV/dt, вытекающей из перепадов, связанных с повторным за-жиганием разряда и предразрядом в ав-томатическом выключателе. Установ-ленный снаружи серийный дроссельный элемент, объединенный с маленьким шунтирующим конденсатором, снизил скорость dV/dt до безопасного уровня, а также устранил высокочастотные коле-бания, которые в противном случае последовали бы за таким перепадом [5].Успешное умень-шение числа инду-цированных ком-м у т и р о в а н и е м перепадов dV/dt подняло вопрос: можно ли было применить подоб-ный подход, чтобы снизить вызван-ные ударом мол-нии перепады dV/

2 Первичное нелинейное распределение электрического потенциала по обмотке трансформатора

Нап

ряж

ени

е (%

)

Длина обмотки1 0.8 0.6 0.4 0.2 0

120

100

80

60

40

20

0

t = 500 ns

t → ∞

t = 100 ns

Z(f) → 0 Z(f) → R

4 Идеализированное представление частотных характеристик полного сопротивления серийного дросселя

Частота

По

лн

ое

соп

ро

тивл

ени

е

3 Воздействие волнового фронта удара молнии на трансформатор

Стандартная форма волны BIL (зелёная

линия) является образцом.

V

Vpeak

VBIL

t1.2 µs

2MV/µs

V = Импульс удара молнии мощностью 2 МВ, фронтально разделённый искровым зазором

Vpeak

= Напряжение на трансформаторе,

защищённом искровым зазором

VBIL

= Стандартный уровень BIL для стандартного трансформатора

transformer

Дроссель последовательно подсоединяется на входе защищаемого оборудования. Основной принцип работы серийного элемента заклю-чается в обеспечении соот-ветствующей частотной за-висимости полного сопротивления.

71Как выдержать удар молнии

R и L. Кроме того, необходимо обеспе-чить правильную работу дросселя в нор-мальных эксплуатационных режимах и его способность выдерживать испыта-ния на короткое замыкание.В зависимости от соотношения между значениями R, L и C, реакция схемы мо-жет быть непериодической, или может дополнительно содержать колебатель-ные составляющие. Если значение со-противления ниже критического значе-ния Д Rc, периодические члены равны нолю, а выходное напряжение является сочетанием экспоненциальных функций.Исходя из этого, выбор соответствую-щего значения для гасящего сопротив-ления чрезвычайно важен для того, что-бы достигнуть максимально возможного снижения dV/dt, при этом предотвращая выброс и колебания напряжения на вы-ходе дроссельного элемента рис. 5.

При таком подходе способность C экви-валентна способности трансформатора замыкания фазы на землю. Поскольку, как указано выше, пределы этой способ-ности известны для определённого класса трансформатора, оптимизация значений R и L может быть достигнута для всех типовых трансформаторов определённой категории. Рассматривая идеализированную ситуацию на рис. 3, в которой импульс молнии на 2 МВ раз-делён искровым зазором, надо отме-тить, что незащищённое оборудование (например, столбовой трансформатор) испытало бы на пике фазное напряже-ние свыше 270 кВ (со скоростью dV/dt 2 МВ/мс). С серийным дроссельным эле-ментом, установленным на входе защи-щаемого устройства, ниже становится

Выбор соответ-ствующего значе-ния для гасящего сопротивления чрезвычайно ва-жен для того, что-бы достигнуть максимально воз-можного снижения dV/dt.

5 Концепция серийного устройства защиты распределительного трансформатора от высокой dV/dt

Z(w)

2MV/µSU

peak

t t

<1MV/µS

7 Экспериментально замеренное снижение перенапряжения и dV/dt

V

t

V1 без SmartChoke

V2 с вводом

SmartChoke

6 Трансформаторный ввод со встроенным дроссельным фильтром SmartChoke

8 Трансформатор производства АББ с высокой степенью защиты от dV/dt, защищённый SmartChoke


тры и уменьшают dV/dt и, следователь-но, также пиковое значение крутых вол-новых фронтов, надо заметить, что первичная функция защитного устрой-ства – это сокращение перепада dV/dt, вызванного перенапряжением от удара молнии; следовательно, они являются лишь дополнением к стандартной защи-те от перенапряжения, например, с по-мощью защитных искровых зазоров или металлооксидных разрядников рис. 9.

Войцех Пясецкий

Марек Флорковский

Марек Фульчик

Корпоративный исследовательский центр АББ,

Краков, Польша

[email protected]

[email protected]

[email protected]

Павел Клыш

АББ, Отдел энергетических машин, распредели-

тельные трансформаторы, Лодзь, Польша

[email protected]

Эгиль Стрикен

АББ Отдел энергетических машин, распределитель-

ные трансформаторы, Драммен, Норвегия

[email protected]

Пётр Гаванд

АББ Отдел энергетических машин, устройства,

Пшасныш, Польша

[email protected]


[1] Agrawal, K. C. (2001). Справочник по промыш-

ленной энергетической инженерии и примене-

ниям. Newnes.

[2] Рабочая группа IEEE. (Август 1981 г.) Сила

импульсного напряжения вращающихся

механизмов переменного тока. Труды IEEE по

энергетическим устройствам и системам: Вып.

PAS-100(8), (4041-4052).

[3] Финская ассоциация стандартизации. (29 июня

1987). SFS 2646, Столбовые подстанции.

[4] Burrage, L. M., Shaw, J. H., McConnell, B. W.

(Апрель 1990 г.). Характеристики распредели-

тельного трансформатора при действии крутых

фронтовых импульсов. Труды IEEE по

поставкам энергии, Вып. 5(2).

[5] Glinkowski, M., Piasecki, W., Florkowski, M.,

Fulczyk, M., Arauzo, F. (май 2008 г). Устройство

Smart-Choke для защиты оборудования от

резких перепадов напряжения. Доклад

представлен на конференции IEEE PES по

передаче и распределению энергии, Чикаго,

штат Иллинойс, США


Удары молнии являются причиной сильных

перепадов напряжения, которые причиняют ущерб

электрооборудованию.

фильтровываются прежде, чем успева-ют дойти до обмотки. Параметры дроссельного элемента, со-вмещённого с залитым эпоксидной смо-лой вводом трансформатора, настрое-ны таким образом, чтобы один и тот же ввод мог использоваться для защиты всех типов распределительных транс-форматоров, установленных на столбо-вых подстанциях распределительных сетей.Проведённые эксперименты показали, что снижение dV/dt выше в сравнении со стандартным вводом трансформатора более чем в два раза. Также было отме-чено значительное снижение пикового перенапряжения рис. 7.Трансформатор, оснащённый вводом SmartChoke рис. 8, был сертифициро-ван в соответствии с финским стандар-том SFS 2646 в высоковольтной лабора-тории Хельсинкского Технологического Университета в городе Эспоо, Финлян-дия. Было продемонстрировано, что трансформатор со стандартным дизай-ном обмотки и имеющий защитные дроссели, совмещённые с вводом, а так-же искровой зазор 2 × 40 мм, выдержит без вреда для себя импульс удара мол-нии силой 2 МВ/мс.

Успешная защитаИспользование дросселя на вводе за-щищаемого оборудования показало привлекательную альтернативу ком-плексной переработке проекта самого оборудования. Хотя дроссельные филь-

9 Сравнение различных сценариев защиты

1. Искровой зазор и обычный ввод

– Очень высокая dV/dt и VP выше стандартного BIL

– необходим нестандартный дизайн обмотки

2. Искровой зазор и ввод SmartChoke

– dV/dt снижена, а VP в рамках стандартного BIL

– стандартный дизайн обмотки

3. MOV и обычный ввод

– Очень высокая dV/dt и VP ниже стандартного BIL

– может понадобиться нестандартный дизайн обмотки

4. MOV и ввод SmartChoke

– dV/dt и VP ниже стандартного BIL

– стандартный дизайн обмотки

dV/dt перенапряжения




VP

VP

VP

VP

VBIL

VBIL

VBIL

VBIL

dV/dt не измениласьV

P >> V

BIL

dV/dt снизиласьV

P ≅ V

BIL

dV/dt не измениласьV

P < V

BIL

dV/dt снизиласьV

P < V

BIL

Искровой зазор

Искровой зазор

V

V

Метал- оксидный варистор (MOV)

Метал- оксидный варистор (MOV)

V

V

Проведённые экс-перименты пока-зали, что сниже-ние dV/dt выше в сравнении со стандартным вво-дом трансформа-тора более чем в два раза.

не только dV/dt, но и пиковое значение волновых фронтов, достигающих транс-форматора.

Трансформатор, оснащённый защи-той SmartChokeОписанная концепция серийного дрос-сельного элемента была внедрена в но-вых распределительных трансформато-рах АББ, снабдив их самой совершенной защитой от резких перепадов dV/dt. Элемент SmartChoke вмонтирован во ввод трансформатора рис. 6 и, таким образом, резкие перепады dV/dt от-

73Обмен данными

СТЕФАН МАЙЕР – Введение стандарта МЭК 61850 – важный

шаг вперёд на пути автоматизации подстанции, и этот процесс

продолжает идти. Одним из примеров может служить примене-

ние подраздела стандарта МЭК 61850-9-2 для обмена выбороч-

ными аналоговыми значениями с использованием технологии

Ethernet. Интегрируя эту технологию в свои системы автомати-

зации подстанции, концерн АББ объединил более чем 10-лет-

ний опыт в производстве нетрадиционных измерительных

трансформаторов тока и напряжения с последними коммуника-

ционными технологиями. Теперь стало реальностью более

эффективное подсоединение первичного (высоковольтного)

оборудования к проверенной на практике защите подстанции

АББ и устройствам управления. При этом повышается надёж-

ность и работоспособность модернизированных подстанций.

Сочетая эти жизненно важные технологии в первом в мире

коммерческом применении МЭК 61850-9-2 LE, АББ модернизи-

рует подстанцию, пущенную в эксплуатацию в 1999 году.

Концерн АББ осуществляет первое коммерческое применение стандарта для шин обработки данных МЭК 61850-9-2 LE

Обмен данными


Шина обработки данных, соответству-ющая стандарту МЭК 61850-9-2 LEОпубликование международного стан-дарта МЭК 61850 стало новой главой в описании функциональности и коммуни-каций подстанции. Впервые появился стандарт, поддерживающий подлинную совместимость между устройствами раз-личных производителей, обладающий ди-зайном, соответствующим требованиям даже завтрашнего дня. Этот стандарт быстро завоевал признание на рынке4.Концерн АББ сыграл важную роль в соз-дании стандарта и продолжает быть дви-жущей силой в его поддержании и даль-нейшем развитии. После осуществления первого в мире проекта с участием раз-личных поставщиков в 2004 году, АББ продолжает поставлять более тысячи си-стем, оснащённых совместимой с МЭК 61850 шиной электростанции, приблизи-тельно в 70 стран мира.После успешного введения стандарта МЭК 61850 на уровне электростанции, его важность в горизонтальном обмене данными с использованием шины обра-

К онцерн АББ, пионер в области NCIT1 и технологий шин обработ-ки данных, приступил к пуску в эксплуатацию серии из шести

открытых подстанций, оснащённых ши-нами обработки данных и NCIT в 1999 году. Подстанции с применением сме-шанных технологий, или «гибридные» подстанции, поставленные австралий-скому поставщику коммунальных услуг, компании Powerlink Queensland, были ос-нованы на интеллектуальной системе, ра-ботающей по принципу «включи и комму-тируй», (plug-and-switch, iPASS). Электронные модули, встроенные в при-воды автоматического выключателя, разъединителя и заземлителя модулей системы iPASS, могли осуществлять связь с помощью запатентованной опти-ческой шины обработки данных. Кроме того, модули iPASS были оборудованы датчиком АББ ELK-CP для измерения на-пряжения и тока, также подсоединённым к шине обработки данных.

Шина обработки данных представляет собой коммуникационную сеть между первичным оборудованием (таким, как измерительные трансформаторы) и вто-ричным (таким, как IED2 защиты и управ-ления) системы автоматизации подстан-ции. Эта оптическая коммуникационная сеть применяется для передачи аналого-вых данных (например, замеров тока на-пряжения). Сеть может также использо-ваться для передачи двоичных данных (таких как показатели состояния распре-делительного устройства) и команд от-крытия и закрытия (чтобы управлять вы-ключателями и разъединителями), но всё это не является частью текущего внедре-ния шин обработки данных. На сегодняш-

них традиционных подстанциях эта ин-формация передаётся через многочисленные параллельные медные кабели. Использование оптоволоконных сетей не только устраняет громоздкие медные кабели, но и увеличивает эксплу-атационную безопасность, изолируя пер-вичные процессы от вторичных рис. 1.Датчики серии ELK-CP основаны на по-вторяющих друг друга поясах Роговского3

Публикация стандарта МЭК 61850 стала новой главой в описании функциональности и коммуникаций подстанции.

Примечания

1 NCIT: нетрадиционный измерительный

трансформатор

2 IED: интеллектуальное электронное устройство

3 Пояс Роговского – это устройство для

измерения переменного тока. В его состав

входит кольцевая обмотка. Токоведущий

проводник проходит через центр кольцевого

сердечника. На выходе датчика получается

напряжение, пропорциональное производной

тока.

4 См. также «АББ Ревю» Специальный отчёт по

МЭК 61850

для измерения тока и двух независимых ёмкостных делителей для измерения на-пряжения. Поскольку это оборудование не содержит масла, оно и экологично, и безопасно. Полностью продублирован-ный дизайн датчиков (включая соответ-ствующую электронику) позволяет ис-пользовать две полностью независимые и параллельные защитные системы, по-вышая производительность вторичной системы. Поскольку электроника датчика может быть заменена независимо и без необходимости отключения всей защит-ной системы, ремонтные работы потре-буют меньше времени и, так как не требу-ется обслуживать части, находящиеся под высоким напряжением, проведение таких работ станет значительно безопас-нее рис. 2.Специалисты концерна АББ установили свыше 300 таких электронных датчиков в подстанциях компании Powerlink. Приме-чательно, что в течение более чем десяти лет работы не произошло ни одного от-каза первичных преобразователей. Ос-новываясь на накопленных данных, было рассчитано, что среднее время между от-казами (MTBF) электроники датчиков со-ставляет почти 300 лет. Всё это доказы-вает чрезвычайно высокую надёжность и производительность датчиков, даже при эксплуатации в суровых климатических условиях Австралии.

МодернизацияКомпания Powerlink начала осуществле-ние проекта по модернизации, предусма-тривающего замену вторичного оборудо-вания гибридных подстанций, включая специализированную электронику, под-соединяемую к шине обработки данных. Основным требованием данной модерни-

зации является приведение обору-дования в полное соответствие меж-дународным стан-дартам, в частно-сти, внедрение шины обработки данных для выбо-рочных аналого-

вых значений, соответствующей стандар-ту МЭК 61850-9-2 LE рис. 3.Компания Powerlink присудила контракт на модернизацию первой подстанции iPASS концерну АББ. Этот проект пред-ставляет собой первое в мире коммерче-ское применение шины обработки дан-ных, соответствующей стандарту МЭК 61850-9-2 LE. Внедрение такой шины уже идёт полным ходом.

1 Шина электростанции и обработки данных в подстанциях

Дистанционное управление

Шина электростанции

Шина обработки данных

NCIT NCIT

MU MU


щими техническими комитетами и рабо-чими группами МЭК и Международного совета по большим электрическим систе-мам (CIGRE). Определение будет внесено в текст будущего международного стан-дарта для измерительных трансформато-ров МЭК 61869 рис. 3.

Совершенствование проверенной на практике технологии датчиков с помощью самой современной шины обработки данныхВ осуществлении проекта модернизации для компании Powerlink АББ, используя свой обширный опыт в области NCIT, за-менит первоначально установленную за-патентованную шину обработки данных на шину с применением технологий МЭК 61850. Новая система, совместимая со стандартом МЭК 61850, будет осущест-влять процессы коммуникации как на общестанционном уровне, так и на уров-не отдельных устройств.В проекте Powerlink Queensland концерн АББ намеревается применить свою си-

ботки данных быстро растёт. Дополняя возможность стандарта определять все необходимые обмены критическими по времени сигналами между процессом и устройствами подстанции, раздел 9-2 по-свящён обмену выборочными аналоговы-ми данными через Ethernet.Стандарт МЭК 61850-9-2 требует, чтобы аналоговая выборка передавалась так называемыми объединяющими устрой-ствами (MU). MU коррелирует и объеди-няет аналоговые данные, поступающие от отдельных фаз или точек измерений в подстанции прежде, чем передать их че-рез Ethernet, откуда доступ к данным мо-гут получать устройства защиты и управ-ления. С внедрением CP-MUP, АББ стала первой компанией, предлагающей про-веренное на соответствие и сертифици-рованное Агентством по стандартизации и сертификации (UCA) 5 объединяющее устройство.Стандарт МЭК 61850-9-2 позволил осу-ществлять стандартизованный обмен сигналами от NCIT, поддерживая очевид-ные преимущества технологии NCIT, включающие самый высокий уровень точности по всему диапазону измерений, компактный дизайн и значительно повы-шенную безопасность по сравнению с традиционным оборудованием.Чтобы облегчить внедрение раздела 9-2 и упростить его применение, Международ-ная Группа Пользователей UCA разрабо-тала директиву по внедрению стандарта МЭК 61850-9-2. Директива предоставля-ет собой дополнительную информацию и параметры по внедрению стандарта. Этот документ обозначается как МЭК 61850-9-2 LE (сокращённая редакция) и является преобладающим среди всех сегодняшних применений раздела 9-2.Поскольку объединяющие устройства NCIT создаются специально под конкрет-ный тип NCIT, они формируют единый блок, который можно совместно разра-батывать и испытывать на соответствие типу, позволяя определять режим работы всей измерительной цепи на порте МЭК 61850.Это отличает их от автономных объеди-няющих устройств (SAMU), взаимодей-ствующих с традиционными CT 6 и VT 7. SAMU выбирают аналоговые сигналы и передают их на шину обработки данных. Преобразование аналоговых данных в цифровую выборку неизбежно влияет на переходные характеристики измеритель-ной цепи. Этот динамический режим ра-боты SAMU не регламентируется стан-дартом МЭК 61850. Работа в этом направлении проводится соответствую-

2 Комбинированные NCIT тока и напряжения ELK-CP3 с шиной обработки данных МЭК 61850-9-2 LE

Использование оптоволоконных сетей не только устраняет гро-моздкие медные кабели, но и уве-личивает эксплуа-тационную без-опасность.

Footnotes

5 Международная Группа Пользователей UCA

является некоммерческой организацией,

занимающейся оказанием помощи пользовате-

лям и продавцам в практическом применении

стандартов в различных отраслях промышлен-

ности согласно соответствующим требованиям.

6 CT: трансформатор тока

7 VT: трансформатор напряжения

3 Стандартизация характеристик неустановившегося напряжения и коммуникационных интерфейсов

Традиционный

Защитное устройствоВнутренний

обмен данными

Передача данных:

МЭК 61850-9-2

Transmissionof values:

IEC 61850-9-2

Неустановившийся/динамический

режим?

Независимый трансформатор и шина обработки данных

NCIT с соответствующей шиной обработки данных

КлассыTPX, TPY, TPZ

МЭК 60044/МЭК 61869

Стандарт находится в процессе подготовки

техническим комитетом МЭК TC38

Принцип: магнитный

Принцип: магнитный

Принцип: магнитный, оптический и т.д.

Преобразующая фильтрация выборочных аналоговых значений


Алгоритм защиты




Трансформатор тока

Трансформатор тока

Трансформатор токаОбъединяющее устройство

Автономное объединяющее устройство

Защитное устройство

Защитное устройство

NCIT MU

МЭК 61850-9-2

МЭК 61850-9-2

SAMU


мацию о долгосрочной стабильности и рабочих режимах экспериментального оборудования по сравнению с традици-онными или нетрадиционными устрой-ствами.Всё защитное и контрольно-измеритель-ное оборудование АББ подвергается су-ровым проверочным испытаниям серий-ной продукции в собственном испытательном центре АББ, сертифици-рованном UCA 8. Кроме того, на испыта-тельном полигоне концерна АББ была проведена проверка концепции проекта модернизации вторичной системы ком-пании Powerlink при участии экспертов обеих компаний. Особое внимание было уделено поведению системы при различ-ных сбоях.Система сработала надёжно, в соответ-ствии со спецификацией; ни при каких условиях не наблюдалось чрезмерной реакции или подачи неверных сигналов на отключение. Такие ошибочные сигна-лы, произойди они в реальной ситуации, могли привести к аварийному отключе-нию электросети.Во время моделирования различных воз-можных условий сбоев постоянное и тщательное наблюдение над всеми ком-понентами системы доказало свою важ-ность в обеспечении возможности бы-строй и точной идентификации ошибок. Непрерывное наблюдение со стороны системы решительно уменьшает потреб-ность в периодических работах по техоб-служиванию и чрезвычайно упрощает обслуживание, проводимое персоналом подстанции, благодаря указанию точного участка, на котором произошёл сбой.

Испытания и техническое обслужива-ние устройств с шиной обработки данныхЗамена медных проводов на оптоволо-конные кабели и описание передаваемой информации согласно стандарту МЭК 61850 открывают новые возможности для интеллектуальных инструментов те-стирования, применяемых в целях техни-ческой поддержки при вводе в эксплуа-тацию и обслуживании систем автоматизации подстанции.Концерн АББ оперативно представил на рынке интегрированный инструмент для тестирования ITT600 9, содержащий пол-ный набор инструментов, помогающих

ния в первичном оборудовании рис. 5.Система автоматизации подстанции для полуторной схемы коммутации, схожая с системой, использованной при модерни-зации вторичной системы в Австралии, изображена на рис. 4. Используя комби-нированный дублирующий дизайн NCIT производства АББ, для удовлетворения дополнительных требований заказчика была применена вторая полностью неза-висимая система объединяющих устройств и защитных IED.Чтобы продемонстрировать пригодность компонентов и доказать верность кон-цепций, которые будут использоваться в проекте Powerlink, были приняты допол-нительные меры по проверке новой тех-нологии.Ряд экспериментальных установок, осна-щённых NCIT и IED, соединённых с шиной обработки данных, был запущен в экс-плуатацию с целью приобретения опыта в применении новой технологии в условиях работы настоящей подстанции. Среди этих установок был модернизированный фидер в одной из подстанций компании Powerlink на 275 кВ с новой электроникой датчика, объединяющими устройствами и защитными IED серии Relion® концерна АББ. Помимо помощи заказчикам в при-обретении важного опыта и уверенности, экспериментальные установки также предоставили жизненно важную инфор-

Концерн АББ сы-грал важную роль в создании стан-дарта МЭК 61850 и продолжает быть движущей силой его дальнейшего развития.


8 См. также «Проверено и утверждено: АББ

располагает своим собственным центром

приёмочных испытаний» на страницах 23–28

«АББ Ревю»: Специальный отчёт по МЭК 61850.

4 Система автоматизации подстанции для распределительных устройств с полуторной схемой коммутации с одной или двумя дублирующими системами защиты

Секция A10

CP-MUPУправление секцией IED A10REC670

Управление секцией IED A30REC670

Управление секцией IED A20REC670

IEC61850-9-2LE

IED защитный фидер 1RED670

IED защитный фидер 2REL670

BBP/BFP cекционный блок A10REB500 BU

BFP cекционный блок A30REB500 BU

BBP/BFP cекционный блок A20REB500 BU

CP-MUP

CP-MUP

Секция A30

Секция A20

Фидер 1

Фидер 2

NCIT

NCIT

NCIT

NCIT

Объединяющее устройство

NCIT

NCIT



стему автоматизации подстанции SAS600, IED защиты и управления серии Relion® 670 и децентрализованную сбор-ную шину REB500, а также устройства резервирования отказов выключателей. Все входящие в состав системы устрой-ства защиты и управления будут подсое-динены к шине обработки данных МЭК 61850-9-2 LE и будут получать выбороч-ные аналоговые данные от объединяю-щих устройств АББ CP-MUP. MU будут взаимодействовать с существующим комбинированными датчиками тока и на-пряжения через новую электронную на-чинку датчика. Таким образом, можно свести к минимуму необходимые измене-


то, что в настоящий момент какие-либо части системы подвергаются испытаниям.

Будущие тенденцииИспользуя весь потенциал концепции шины обработки данных и его определе-ния в стандарте МЭК 61850, двоичные данные могут также передаваться через оптическую сеть связи между первичным процессом и IED защиты и управления. Помещая модули двоичного ввода и вы-вода близко к первичному процессу, можно убрать практически весь медный кабель, что, в свою очередь, даст допол-нительные преимущества, такие как воз-можность электрически изолировать си-стемы на уровнях процесса и устройств, а также непрерывный мониторинг всех сигналов.Комбинируя самое современное приме-нение стандарта МЭК 61850 на уровне как всей электростанции, так и на уровне процесса с обширным опытом в области технологии NCIT, АББ создаёт интеллек-туальные, рассчитанные на требования завтрашнего дня предложения, чтобы удовлетворить спрос на более надёжные, эффективные и безопасные решения, максимально увеличивая преимущества и стоимость активов заказчика.

Стефан Майер

АББ, Системы для энергетики

Баден, Швейцария [email protected]


9 См. также: «В условиях испытаний: полный

спектр программного обеспечения концерна

АББ для проведения испытаний и пуска в

эксплуатацию для систем автоматизации

подстанций» на страницах 29–32 «АББ Ревю»:

Специальный отчёт по МЭК 61850.

сети МЭК 61850-9-2. Используя свой бо-гатый опыт интеграции МЭК 61850 и раз-работки инструментов для тестирования, АББ разрабатывает многофункциональ-ный анализатор для выборочных анало-говых значений рис. 6.Преимущество анализа данных на шине обработки данных в сравнении с обычны-ми измерениями тока и напряжения про-является, когда нужно получить доступ к точкам измерения. Когда все значения доступны в сети шины обработки данных, больше нет необходимости получать до-ступ к находящимся под напряжением компонентам, производить короткое за-мыкание и открывать терминалы транс-форматора тока. Соединяя порт Ethernet инструмента анализа с шиной обработки данных, или же непосредственно с объе-диняющим устройством, инженер по об-

служиванию мо-жет легко получить доступ ко всем потокам выборочных зна-чений. В отличие от анализа ам-перметром или в о л ьт м е т р о м , анализатор 9–2 быстро отобра-жает данные, ко-торые ранее не были доступны напрямую. В их число входят ото-бражения тока и

напряжения сразу на всех фазах, вектор-ные диаграммы и всесторонняя инфор-мация по переданным блокам данных. Эта последняя информация даёт важней-шее представление об исправности си-стемы и может, например, указывать на

пользователям извлечь максимальную выгоду из преимуществ применения стандарта МЭК 61850.ITT600 уменьшает сложность лежащего в его основе стандарта МЭК 61850 и пре-доставляет персоналу, занятому в тести-ровании и обслуживании, чёткое визу-альное изображение данных, имеющихся в системе. Например, ITT600 облегчает проверку соответствия установки описа-нию конфигурации станции (SCD) и помо-гает проанализировать связь между устройствами IED и общестанционной системой. После начала внедрения шины обработ-ки данных для выборочных аналоговых значений, к набору были добавлены соот-ветствующие инструменты.Это особенно важно в сценарии, при ко-тором измерения производятся транс-

форматорами NCIT с помощью оптиче-ской связи с объединяющими устройствами. В такой ситуации все тер-миналы традиционных трансформаторов тока и напряжения окажутся устаревши-ми, и весь анализ будет проводиться в

5 Одна из подстанций АББ iPASS с трансформаторами NCIT 6 Анализатор АББ МЭК 61850-9-2

Всё защитное и контрольно-измерительное оборудование АББ подвергается суровым проверочным испытаниям серийной продукции в соб-ственном испытательном центре АББ, сертифициро-ванном UCA.


Результаты нашей работы

Коллектив «АББ Ревю» и все сотруд-ники Группы НИОКР и технологий концерна АББ хотели бы поблагода-рить вас за то, что уделили своё время для ответов на вопросы, помещённые прошлой осенью в разделе читательских отзывов в нашем журнале. ваши ответы помога-ют нам формировать содержание журнала. Мы особенно рады видеть, что большинство читателей читают статьи, выходящие за пределы их про-фессиональных интересов, и что читатели используют наш журнал в различных сферах деятельности.Несмотря на то, что наш журнал выходит в свет на пяти языках и распространяется почти во всех странах мира, все пять победителей нашей лотереи представляют Дальний Восток и Юго-Восточную Азию! Мы поздравляем и выражаем признатель-ность победителям: Gary-Hua Guan (Китай), Barton-XingPing Liu (Китай), Giridhar Sharma (Индия), Sheng Zhang (Китай) and Feni-Nurdiana Masrani (Малайзия)! Все они получат фонарь с питанием от солнечной энергии и USB-накопитель на 4 Гб.

в читательских отзывах АББ Ревю

Всего респондентов: 494

1 Читаете ли вы статьи в «АББ Ревю» на темы, выходящие за пределы ваших профессиональных интересов?

Да 92%

Нет

8%

2 Порекомендуете ли вы «АББ Ревю» вашим коллегам?

Да 97%

Нет

3%

3 Насколько вас устраивает уровень технической составляющей содержания статей в «АББ Ревю»?

Обычно не хватает техниче-

ской информа-

ции

Иногда не хватает техниче-


ции

В статьях достаточ-

но техниче-


ции

Обычно техниче-


ции слишком

много

Иногда техниче-


ции слишком

много

60

50

40

30

20

10

0

Пр

оц

ент

(%)

4 Насколько вас устраивает объём статей?

Обычно слишком коротко

Иногда слишком коротко

Объём статей

достаточ-ный

Обычно слишком растянуто

Иногда слишком растянуто

Пр

оц

ент

(%)

6 Начиная с номера 1/2010, «АББ Ревю» поменял свой дизайн. Нравится ли вам новый дизайн?

Чрезвычайно недоволен

Очень доволенНедоволен Отношусь нейтрально

Доволен

45

40

35

30

25

20

15

10

5

0

Пр

оц

ент

(%)

5 Как вы используете «АББ Ревю»? (возможно несколько вариантов ответа)

Чтобы лучше понять

технологии АББ


предложе-ния АББ


технологии в целом

Для продаж/

маркетин-га

В учебных целях

Для цитирова-

ния в своих собствен-

ных работах

Для набора персонала

Другое

350

300

250

200

150

100

50

0

Рес

по

нд

енты

79

Согласно расчётам, произведённым американским Управле-нием по энергетической информации (EIA), нефть составляет приблизительно 36 процентов первичной энергии, расходуе-мой на планете, и является единственным и самым крупным источником первичной энергии. Природный газ занимает третье место (после угля) и его доля составляет приблизи-тельно 23 процента. Вместе взятые, эти источники энергии покрывают почти 60 процентов потребностей человечества в энергии, и являются эквивалентом более ста миллионов баррелей в день. Непрерывность поставок нефти и газа имеет первостепенное значение для экономики, промышлен-ности и для бесчисленных сфер деятельности человека. Несмотря на рост в области альтернативных энергий и ядерной энергетики, а также прогресс в рационализации энергопотребления, необходимые человечеству объёмы потребления нефти и газа, вероятнее всего, продолжат увеличиваться в течение многих и многих лет.

АББ предоставляет многочисленные технологии, которые укрепляют цепочку создания добавленной стоимости нефти и газа. Эти технологии используются в промышленности почти на всех этапах, от проведения исследований и добычи до переработки и транспортировки. В номере «АББ Ревю» 2/2011 будут более подробно рассмотрены некоторые из вкладов компании в развитие этих вызывающих глубокий интерес отраслей промышленности.

Нефть и газ

Редакция

Петер Тервиш (Peter Terwiesch)Технический директор группы НИОКР и технологий

Кларисса Халлер (Clarissa Haller)Начальник корпоративного отдела связей

Рон Поппер (Ron Popper)Начальник отдела корпоративной ответственности

Ээро Яэскеля (Eero Jaaskela)Начальник отдела корпоративного бухучёта

Андреас Моглестуэ (Andreas Moglestue)Главный редактор, «Обозрение АББ»andreas.moglestue@ch.АВВ.com

Издатель«АББ Ревю» издается Группой НИОКР и технологий АББ

АББ Technology Ltd. АББ Review Affolternstrasse 44 CH-8050 Цюрих Швейцария

«АББ Ревю» выходит четыре раза в год на английском, французском, немецком, испанском, китайском и русском языках. «АББ Ревю» распространяется бесплатно для всех, кто заинтересован в технологиях и целях АББ.

Для подписки обратитесь в ближайшее представительство АББ или оформите подписку через интернет на сайте www.abb.com/abbreviewЧастичная перепечатка или воспроизводство разрешены при условии полного указания источника. Полная перепечатка требует письменного согласия издателя.

Издатель и авторское право ©2011 ABB Technology Ltd. Цюрих/Швейцария

ТипографияVorarlberger Verlagsanstalt GmbH AT-6850 Дорнбирн, Австрия

МакетDAVILLA Werbeagentur GmbH AT-6900 Брегенц, Австрия

DisclaimerСодержащаяся здесь информация отражает мнения авторов и представлена только в информационных целях. Читатели не должны предпринимать какие-либо действия на основе содержащейся здесь информации, не обратившись за профессиональными рекомендациями. Мы публикуем статьи с пониманием того, что авторы не предоставляют никаких технических или иных профессиональных рекомендаций или мнений касательно определённых фактов или вопросов и не берут на себя никакую ответственность в связи с их использованием. Компании концерна АББ не дают гарантию или гарантийные обязательства, или обещание, выраженное или подразумеваемое, в отношении содержания или точности представленных здесь мнений.

ISSN: 1013-3119

www.abb.com/abbreview

Анонс

Анонс номера 2|11

Включить возобновляемую энергию в энергосистему?

Безусловно.

Электроэнергия, создаваемая водой, солнцем и ветром, в изобилии имеется даже в самых удалённых районах, таких как горы, пустыни или открытое море. Лидирующие технологии концерна АББ в области энергетики и автоматизации помогают обеспечить возобновляемой энергией примерно 70 миллионов чело-век, интегрируя её в энергосистемы, которые покрывают огромные расстоя-ния. Наши усилия по внедрению возобновляемой энергии делают энергетиче-ские сети более «умными» помогая защищать окружающую среду и бороться с изменениями климата. www.abb.com/betterworld

Documents

АББ Ревю 1 2011