АББ ревю 4 2010

Корпоративный технический журналРевю

AББ

Рабочее место оператора в будущем 6 Трансформаторы и землетрясения 16 Интеллектуальное управление двигателями 27 Активные фильтры повышают качество энергии 51

В центре внимания – производительность

4 |10

2 AББ ревю 4|10

Часто говорят, что целое может быть больше суммы его частей. Это справедливо почти для всех аспектов промышленной деятельности. Задачу минимизации отходов, нестабильности и незапланированных простоев необходимо решать не только посредством оптимизации отдельных аспектов и компонентов, следует учитывать то, как взаимодействуют различные ресурсы и компоненты.В этом выпуске AББ Ревю «В центре внимания – производительность» рассматриваются как специальные технологии, так и их расширенное взаимодействие, что в целом служит достижению цели повышения производительности.

3Содержание

Содержание

6

12

16

21

27

32

40

47

51

56

61

Эффективность работы оператораРабочее место оператора системы System 800xA отвечает требованиям настоящего и будущего

Безопасность приводных системФункциональная безопасность механического оборудования, в частности, приводов переменного тока

Эксплуатационные характеристики в условиях сейсмической активностиУглубленный анализ сейсмостойкости объектов энергетики

Применение силовой электроники энергокомпаниямиПолупроводники – важнейшее средство реализации энергосетей

Интеллектуальное управление двигателямиUMC100 - отличный пример гибкого, модульного и масштабируемого контроллера электродвигателя

Сберегая лучшее на будущееУстройства плавного пуска или приводы с регулируемой скоростью?

Простая экстраординарностьЗнакомство с новым семейством самых современных автоматических выключателей в литом корпусе Tmax XT компании AББ

Делаем трансформаторы мобильнымиБыстро перемещаемые и монтируемые модульные трансформаторы для высоковольтных систем передачи электроэнергии

Активное улучшение качестваАктивные фильтры PQF компании AББ улучшают рабочие характеристики и КПД системыy

Передача энергии с берега на судноРешение «под ключ» компании AББ эффективно снижает вредные выбросы в портовой зоне

Обзор AББ в 2010 годуУказатель статей

Производительность и безопасность

Производительность и управление

Доставка энергии

Указатель 2010

AББ ревю 4|10 4

Петер Тервиш Глава департамента технологийABB Ltd.

нормальную работу. Мы посвящаем отдельную

статью сейсмической устойчивости больших

трансформаторов.

Несмотря на все меры предосторожности, могут

возникнуть ситуации с неожиданным выходом из

строя крупных компонентов. Вследствие

определенного периода времени, необходимого

для изготовления и транспортировки, большие

силовые трансформаторы невозможно заменить

по первому требованию. Одним из решений

такой проблемы является использование

мобильных трансформаторов. Их размеры и вес

достаточно малы, что позволяет доставлять такие

трансформаторы по первому требованию с

помощью существующей транспортной

инфраструктуры, быстро монтировать их на

объекте эксплуатации и тем самым обеспечивать

временное решение проблемы до выполнения

ремонта или замены неисправного агрегата. До

настоящего времени напряжение мобильных

трансформаторов не превышало 250 кВ, но

компания AББ недавно выпустила

трансформатор на 400 кВ.

За последние десятилетия силовая электроника

стала областью, позволившей осуществить

значительные усовершенствования в

производительности. К ее преимуществам

относятся энергосбережение, улучшение

управляемости и более простое обслуживание.

AББ Ревю посвящает ряд статей предложениям

компании в области силовой электроники в

диапазоне от полупроводников до

интеллектуального управления

электродвигателями.

В остальных статьях рассматриваются последнее

поколение автоматических выключателей,

системы активных фильтров для энергосистем и

снижение потребления топлива судами,

находящимися в порту.

Еще я хочу поблагодарить всех читателей,

участвовавших в обзоре, представленном в

предыдущем выпуске этого журнала. Мы

опубликуем результаты в предстоящем выпуске

AББ Ревю.

Я надеюсь, что этот выпуск даст некоторые

новые обновленные представления о

захватывающем мире промышленной

производительности и повысит вашу

осведомленность о широком ассортименте

решений, предлагаемых компанией AББ.

Приятного чтения!

Петер Тервиеш

Глава департамента технологий ABB Ltd.

Уважаемый читатель,

Процесс производства заключается в

преобразовании сырья, капиталовложений,

рабочей силы и энергии в продукты и услуги.

Производители постоянно стремятся

минимизировать объем своих используемых

ресурсов и вместе с тем максимально увеличить

выпуск продукции с учетом безопасности,

охраны окружающей среды, действующих

нормативов и других факторов. Поиск

повышения производительности сместился от

оптимизации отдельных изолированных

компонентов и все чаще обращается в сторону

расширенного процесса. Этот поиск

поддерживается техническим прогрессом в таких

областях, как мониторинг, коммуникации,

интеграция и анализ в реальном масштабе

времени.

В статье, открывающей этот выпуск,

рассматривается обмен информацией между

технологической установкой и эксплуатирующим

ее персоналом. Дизайн человеко-машинных

интерфейсов оказывает большое влияние на

способность оператора обнаруживать

аномальные ситуации и реагировать до их

перехода на критический уровень. Наглядность

определенных деталей в дизайне интерфейса

может способствовать раннему обнаружению и,

следовательно, реально влиять на

производительность технологической установки.

Но всех аномальных ситуаций невозможно

избежать с помощью одной лишь бдительности

оператора. Здесь вступают в действие системы

обеспечения безопасности, непрерывно

контролирующие оборудование и процессы и

реагирующие при выходе параметров за

установленные пределы. Системы обеспечения

безопасности традиционно отделялись от

систем управления и требовали специальной

кабельной проводки и оборудования. Тем не

менее, функции безопасности все в большей

степени могут интегрироваться с системами

управления. Мы обсудим это на примере

приводов переменного тока.

Исключение аномальных ситуаций с помощью

надлежащей практики эксплуатации и высокой

культуры безопасности – это наилучший способ

избежать простоев и снижения

производительности. Но есть ситуации, в

которых нарушение нормальной работы

вызывается исключительно внешним

воздействием, например, землетрясением.

Оборудование должно быть достаточно прочным,

чтобы сохранить работоспособность в таких

ситуациях и как можно быстрее возобновить

От редакции

Производительность

5От редакции


ХОНГИУ ПЕИ БРИВОЛЬД, МАРТИН ОЛУССОН, СЮЗАННА ТИМСЬО, МАГНУС

ЛАРСОН, РОЙ ТАННЕР – В глобальных масштабах ежегодные убытки

предприятий перерабатывающих отраслей промышленности оцениваются

примерно в 20 млрд. долл. и составляет 5% общего объема продукции 1.

80% этих убытков можно предотвратить, притом ровно половина из них

происходит по причине ошибок операторов. Если найти способ

предотвращения ошибок, то доходы можно увеличить на 6,4 млрд. долл.

Эффективность работы операторов – принципиальный фактор поддержания

экономической ценности контроля и управления технологическими

процессами. Повысить эффективность можно за счет расширения

функциональных возможностей операторов и оптимизации качества

управления нештатными ситуациями в условиях повышенной ситуационной

осведомленности. Это позволит операторам принимать более точные

решения, которые помогут повысить безопасность производственных

процессов и увеличить полезное эксплуатационное время систем.

Рабочее место оператора системы 800xA отвечает требованиям настоящего и будущего.

Эффективность работы оператора

7Эффективность работы оператора

туитивно-понятный доступ к обрабатыва-емой информации и возможность динамичного и эффективного манипули-рования ее графическим представлением. Эти характеристики способствуют сокра-щению времени для определения необхо-димых действий.

Современное промышленное производ-ство может содержать множество плат-форм на базе контроллеров, включая, в частности, ПЛК (программируемые логи-ческие контроллеры (PLC)), распределен-ные системы управления (DCS), системы безопасности, автоматизированные си-стемы управления оборудованием поме-щений (FAS) и электрические системы управления (ECS). Кроме того, использу-ются информационные системы произ-водства, например, компьютеризирован-ные системы управления техническим обслуживанием (CMMS), системы плани-рования ресурсов предприятия (ERP), си-стемы видеонаблюдения и архивы дан-ных, которые содержат полезную информацию в помощь операторам при принятии решений. Использованная в системе 800хА техно-логия Aspect Object не только обеспечи-вает доступ и органичное представление информации из всех упомянутых источ-ников, но и предусматривает возмож-ность фильтрации данных по признаку уровня доступа в систему и ответствен-ности пользователя. Например, чтобы от-следить источники различных графиче-ских данных, достаточно щелкнуть правой клавишей мыши и сделать выбор в контекстном меню.

Дизайн, обеспечивающий высокую эффективностьНад разработкой различных концепций ЧМИ работали и продолжают работать множество организаций стандартизации и

показали, что эту точку зрения разделяет множество заказчиков компании АББ.

Четыре условия эффективности работы оператораВ соответствии с концепцией расширен-ной системы управления 800хА компании АББ, на эффективность работы операто-ра влияют четыре основных фактора. К ним относятся: – Интегрирование функций – Дизайн, обеспечивающий высокую

эффективность– Учет человеческого фактора – Компетентность оператора Ниже рассматриваются указанные фак-торы.

Интегрирование функций Система 800xA, разработанная компани-ей АББ, предоставляет заказчикам воз-можность органичного обобщения и при-ведения к рациональному виду данных, полученных из различных источников. Она использует взаимодействие различ-ных компьютерных программ и систем. Операторам предоставляется вся необ-ходимая информация. Предусмотрен ин-

В процессе усовершенствова-ния эффективности работы операторов возникает ряд се-рьезных проблем, связанных

как с технологическим процессом, так и с вопросами управления. Например, управ-ление и контроль производственных про-цессов сопряжены с неизбежной техно-логической модернизацией, истощением базы знаний вследствие демографиче-ских изменений параметров рабочей силы и постоянным ростом уровня слож-ности технологических операций. При отсутствии должного учета эффективно-сти работы оператора эти факторы могут стать причиной существенного увеличе-ния расходов. В компании АББ убеждены, что при разработке эффективных человеко- машинных интерфейсов (ЧМИ) необходи-мо учитывать организацию работы и тре-бования к оператору. Последние исследо-вания эффективности работы операторов

Система 800xA, разра-ботанная компанией АББ, обеспечивает заказчикам возмож-ность органичного обобщения и приведе-ния к рациональному виду данных, получен-ных из различных источников.

Ссылка:1 Т. Аткинсон, М. Холлендер, 2010,

Эффективность работы оператора, Совместные системы автоматизации производства, ISBN 978-1-936007-10-3.


цесса. Кроме того, в целях предупрежде-ния и полного предотвращения нештатных ситуаций используются методы навигации и графическое отображение для быстрого реагирования в условиях нештатной ситу-ации и представление информации. В упомянутом выше “Руководстве пользо-вателя высокоэффективного ЧМИ” приве-ден убедительный пример, касающийся ситуативной осведомленности: приведены два графика, содержащих одну и ту же ин-формацию, но имеющих совершенно раз-ное воздействие на степень ситуационной осведомленности. Многоцветный график с черным фоном создавал низкую ситуа-тивную осведомленность даже в обычных условиях, при этом график с полутоновой шкалой и ярким цветом отображения ава-рийного сигнала обеспечивал высокую си-туационную осведомленность. На уровень ситуативной осведомленно-сти могут оказать влияние следующие факторы: – Повышение коэффициента результа-

тивности урегулирования нештатных ситуаций и восстановления нормально-го режима работы.

– Сокращение времени, необходимого операторам установки для завершения выполнения текущих заданий в условиях нештатной ситуации.

– Увеличение частоты случаев выявления нештатных ситуаций операторами на рабочих местах прежде, чем произой-дет подача аварийного сигнала.

На рис. 1 приведен пример двух вариан-тов оценки технологического процесса. В

поддерживает адаптацию компоновки ра-бочего места в соответствии с концепцией функциональности, определенной заказ-чиком, а также обеспечивает поддержку при внедрении высокоэффективных стра-тегий управления аварийными ситуация-ми, предусматривающих функции “отло-женный аварийный сигнал” (блокировка аварийного сигнала по инициативе опера-тора) и “скрытый аварийный сигнал” (бло-кировка аварийного сигнала в соответ-ствии с параметрами аварийной ситуации). Эти функции сокращают количество не-значительных и некритичных аварийных сигналов, обеспечивая, таким образом, для конечного пользователя соответствие или превышение условий действующих руководств и стандартов, например EEMUA 191 2 и ISA SP 18.2 3. Другим принципиальным фактором при разработке высокоэффективных ЧМИ яв-ляется ситуативная осведомленность. Специалист по управлению нештатными ситуациями Ян Ниммо (из отдела оказания услуг по разработке дизайна, ориентиро-ванного на пользователя, соавтор “Руко-водства пользователя высокоэффектив-ного ЧМИ” 4) считает, что “достаточный уровень ситуативной осведомленности подразумевает точное осознание опера-тором текущего состояния процесса и оборудования, а также правильное пони-мание значений различных тенденций установки в целом”. Среди ключевых принципов обеспечения ситуативной ос-ведомленности – определение и использо-вание цветов в целях максимально понят-ного визуального представления нештатных ситуаций. Концепция ситуаци-онной осведомленности известна давно. Тем не менее, она остается предметом дискуссии ряда организаций. Одним из обсуждаемых аспектов является примене-ние полутонов или холодных тонов для графических схем технологического про-

2 Расширенное рабочее место оператора, разработанное компанией AББ

1 Сравнение традиционного и заказного варианта представления данных с различным воздействием на ситуативную осведомленность

– Температура падает или поднимается?

– Приближается ли значение к порогу подачи аварийного сигнала?

– Какие еще признаки будут затронуты?

– Инфокривая (слабый тренд) при наведении курсора отображает исторические данные.

– Тренд указывает на приближение к порогу подачи аварийного сигнала или на восстановление нормального состояния.

1

2

°C39.4

6 единиц времени

24 часа

Используя программу моделирования, опера-торы технологического процесса и обслужива-ющий персонал могут отрабатывать действия в безопасных и реали-стичных условиях

Ссылки2 http://www.eemua.co.uk/ (август 2010 г.)3 http://www.isa.org/ (август 2010 г.)4 Б. Холлифильд, Д. Оливер, Я. Ниммо, Э.

Хабиби, 2008, Руководство пользователя высокоэффективного ЧМИ, ISBN-10: 0977896919, ISBN-13:9780977896912, Сервисные компоненты систем автоматизации производства.

научно-исследовательских институтов.Результаты их работы послужили основой при разработке дизайна интерфейса, определении эргономических характери-стик, параметров ситуативной осведом-ленности и оперативных решений в усло-виях аварийной ситуации. На основании этих знаний, а также собственного обшир-ного опыта, компания АББ стремится спо-собствовать введению справедливых стандартов, активно участвуя в деятель-ности различных технических комитетов, рабочих групп и научно-исследователь-ских комиссий при организациях, разра-батывающих стандарты.Одной из областей, оказывающих наи-большее влияние на разработку ЧМИ, яв-ляется управление нештатными ситуация-ми. Нештатными ситуациями считаются нарушения нормальной работы или не-предвиденные отказы, которые не могут быть урегулированы системой управления самостоятельно и требуют вмешательства оператора. Компания АББ проводит ак-тивную работу по определению параме-тров эффективного диспетчерского кон-троля и вмешательства операторов в целях развития их навыков по выявлению и урегулированию нештатных ситуаций. Эти меры компания внедрила в свою си-стему 800хА. К примеру, система 800хА

9

выполнять раздельные регулировки поло-жения стола и мониторов, акустической системой направленного действия и осве-тительными приборами с регулируемой яркостью. Кроме того, при разработке ра-бочей среды диспетчерских пунктов ком-фортность дизайна является основным условием производительности группы операторов. Пример приведен на рис. 3. Перечислен-ные факторы способствуют оптимиза-ции рабочей среды оператора и повыше-нию внимательности операторов в диспетчерской. Соблюдение установленного порядка ра-боты диспетчерской имеет большое зна-чение для обеспечения систематичности работы. Рабочие инструкции помогут опе-ратору при выполнении нерегулярных действий. В качестве примера полезных

вспомогательных средств можно при-вести применение оператором кон-трольного перечня действий в рамках установленных рабо-чих инструкций при возникновении опре-деленных обстоя-тельств. Четкая формулиров-

ка служебных функций и обязанностей - еще один фактор первостепенного зна-чения, определяющий успешность работы. Это означает, что все задачи, которые должен выполнить оператор, должны быть идентифицированы и оформлены документально, включая за-дачи, которые в обычном режиме рабо-ты не выполняются. Создав систему 800хА, компания АББ

результате создаются разные уровни ин-формированности, определяющие сте-пень ситуативной осведомленности и воз-можность быстрого принятия оператором правильного решения.

Учет человеческого фактора Компания АББ хорошо осознает необхо-димость прямого учета человеческих факторов. Одной из главных причин яв-ляется признание компанией того факта, что благоприятные условия рабочей сре-ды оператора способствуют ослаблению его стрессового состояния, в результате чего, в свою очередь, значительно повы-шается его работоспособность и эффек-тивность урегулирования нештатных си-туаций, а также сокращается количество проблем, связанных со здоровьем и теку-честью кадров.

Убедительной иллюстрацией понимания важности человеческого фактора и, как результат, усовершенствования эффек-тивности работы оператора является рас-ширенное рабочее место оператора, раз-работанное компанией АББ (см. рис. 2). Рабочее место оснащено новейшими кла-вишными пультами с оперативными кноп-ками для работы с несколькими клиента-ми, электроприводом, позволяющим

3 Схема компоновки диспетчерской определила новые стандарты диспетчер-ских пунктов (интеллектуальных центров управления), при проектировании которых в центре внимания находится оператор. При содействии своего партнера, компа-нии CGM - поставщика обстановки для диспетчерских, специалисты АББ присое-диняются к работам по реализации проек-тов на ранних этапах и могут вместе с ко-нечным пользователем определить оптимальную компоновку диспетчерской с учетом человеческого фактора и эргоно-мических характеристик. Чтобы получить новейшую информацию по оптимальному дизайну диспетчерских, стоит посетить “Центр производственной деятельности будущего” в Буросе, Швеция. Среди про-чего, там освещены такие темы, как аку-стические характеристики, звукопоглоще-ние, материал напольного покрытия, регулировка освещения и цветовое реше-ние для отображения состояния техноло-гического процесса.

Компетентность оператора Взаимодействие оператора и технологи-ческого процесса часто имеет значитель-ные коммерческие последствия, в особен-ности в случаях возникновения исключительных условий процесса, когда оператор должен осознать ситуацию и вы-полнить сложные действия для восстанов-ления нормального режима работы. В си-стеме 800хА компании АББ предусмотрена база для повышения квалификации опе-раторов и их подготовки к работе в не-штатных ситуациях с использованием программ моделирования, создающих точную рабочую среду (графика и логиче-ские схемы управления). Моделирующие программы создают безопасные, реали-стичные условия, в которых операторы технологического процесса и обслужива-ющий персонал могут отрабатывать навы-ки управления процессом и повышать сте-пень своей профессиональной надежности (см. рис. 4).

Основополагающие меры по повыше-нию эффективности работы операторовВ свете стремительного развития техно-логий, смены поколений рабочей силы и возрастающей сложности рабочих опера-ций возникает необходимость в прямых мерах по повышению эффективности ра-боты операторов на протяжении всего цикла эксплуатации систем управления технологическим процессом. В целях обе-спечения максимальной продуктивности четырех основных факторов повышения эффективности работы операторов по-стоянно ведутся работы в области:

Нештатными ситуациями считаются нарушения нормальной работы или непредвиденные отказы, которые не могут быть урегулированы системой управления самостоятельно и тре-буют вмешательства оператора.



тенденций развития и организации но-вых производств в будущем с целью по-вышения производительности и увели-чения доходов заказчиков.

Взгляд на перспективуВ результате постоянного совершенство-вания средств программного обеспече-ния, предназначенных для оснащения пользовательских интерфейсов и обмена информацией, создалась необходимость совершенствования современного чело-веко-машинного интерфейса. Компания АББ имеет опыт хорошо оснащенного пользователя и лабораторию для исследо-вания восприятия обмена информацией. Исследователи смотрят в будущее, анали-зируют последствия воздействия новых технологий и изучают эффективное при-менение и рациональное сочетание суще-ствующих и новых технологий. В частно-сти, компания АББ недавно освоила новую область исследований, ориентированную на повышение эффективности работы операторов. Одна из задач включает про-верку новых технологий, представленных на рынке, и рассмотрение возможности их практического применения в различ-ных отраслях производства. В качестве примеров можно привести способы обме-на данными, средства визуализации и ме-тодики проектирования. В процессе разработки инновационных решений и работ по усовершенствова-нию продуктов компании АББ возникло множество новаторских замыслов. На-пример, на рис. 5 показан новый дисплей для отображения состояния процесса, который обеспечивает поддержку опера-тора в нештатной ситуации посредством интуитивно-понятного отображения ава-рийного сигнала, привлекающего внима-ние оператора.Другой пример – инновационные идеи, возникшие в контексте ориентирования дизайна эффективного ЧМИ на рабочий процесс оператора и выполняемые им за-дачи. Хорошо известно, что управление процессом осуществляется коллективно. Персонал разных смен должен обмени-ваться информацией и взаимодейство-вать. Поэтому, для реализации этих дей-ствий компания АББ предложила в помощь операторам инновационное ре-шение – так называемую панель совмест-ной работы, на которой операторы могут оставлять сообщения, привязанные к от-дельным дисплеям отображения состоя-ния процесса (см. рис. 6), или использо-вать выпадающую белую панель для схематического обсуждения вопросов (см. рис. 7). Панель совместной работы

наблюдения предоставляют возможность идентификации целей и потребностей операторов и расстановки их приорите-тов. В аспекте проблем и потребностей операторов данные, полученные в резуль-тате посещения пользователей в привыч-ной рабочей среде и наблюдения за вы-полнением ими рабочих задач, представляют собой информацию “из первых рук”. Этот способ идеально подхо-дит для выявления неправильной или не-эффективной работы, когда операторы не получили соответствующие инструкции. Кроме того, в целях накопления полезного опыта и выявления возможностей для усо-вершенствований, были собраны мнения всех операторов и отзывы непосредствен-ных пользователей. Собранные данные подвергались анали-зу и обобщению. Процесс обобщения данных включал идентификацию основ-ных принципов и критериев по каждому пользователю и анализ их взаимосвязи с повышением эффективности работы оператора.Другим эффективным способом изучения потребностей пользователя при разработ-ке дизайна является создание контроль-ных групп заказчиков (SRG), объединяю-щих пользователей из различных отраслей промышленности. При организации кон-трольных групп были поставлены три цели: – Предоставление потребителям инфор-

мации по текущим и запланированным научно-техническим разработкам непо-средственно от изготовителя.

– Обеспечение потребителям возможно-сти активного влияния на процесс раз-работки операторского интерфейса си-стемы 800хА компании АББ.

– Организация форума для обмена мне-ниями и проверки предположений в об-ласти потребностей пользователей,

4 С помощью программы моделирования в комплексе системы 800xA можно создать безопасные, но реалистичные условия тренировки

Производство

Сис

тем

а уп

равл

ения

Кон

трол

лер

АБ

Б

Кон

трол

лер

АБ

Б

Кон

трол

лер

АБ

Б

Кон

трол

лер

АБ

Б

Кон

трол

лер

АБ

Б

Техн

олог

ичес

кий

проц

есс

I/O

Система моделирования

Программируемые контроллеры

Функции моделирования имитационной системы ввода-вывода

Мод

ель

техн

олог

ичес

кого

пр

оцес

са и

раб

очее

м

есто

инс

трук

тор

а

PC

Сбор отзывов операто-ров проводился в целях накопления полезного опыта и выявления областей, требующих усовершенствования, с учетом ежедневно вы-полняемых задач.

– Разработки дизайна, ориентированного на пользователя

– Изучения перспектив.

Дизайн, ориентированный на пользователя Чтобы разработать эффективный дизайн ЧМИ, необходимо в центр внимания по-местить организацию рабочего процесса оператора в диспетчерской и выполняе-мые им задачи. В целях правильного по-нимания последовательности действий оператора и оценки качества выполнения оператором значительного количества рабочих задач, компания АББ совместно с операторами провела анализ рабочих задач оператора на основе изучения пользователей. Способы изучения поль-зователей включали опросы, исследова-ния на месте эксплуатации и результаты наблюдений. Вопросы направлялись операторам зара-нее, чтобы убедиться в соответствии их специализации и навыков, а также в нали-чии хорошего уровня их подготовки. Во-просы могли быть структурированными или неструктурированными как в том виде, в каком они заданы, так и в форме возможного ответа. Исследования на месте эксплуатации и

11

Секрет эффективности работы оператораЭффективность работы оператора – про-блемная область. Компания АББ достигла высочайших результатов продуктивности четырех основных условий повышения эф-фективности работы оператора за счет:1. Оптимизации платформы автоматиза-

ции производства до уровня, обеспечи-вающего дальнейшее развитие платформы в собственном формате и достижение степени интегрирования и централизации, необходимой для стимулирования среды коллективной работы.

2. Достижения статуса поставщика систем автоматического управления и контроля, способного оказать заказчи-ку помощь в его стремлении к соответ-ствию стандартам и принципам дизайна в отношении ситуативной осведомленности и управлении нештат-ными ситуациями, а также оптимизации системы автоматического управления до уровня, обеспечивающего ее гибкость и соответствие конкретным требованиям заказчика.

3. Достижения статуса поставщика систем автоматического управления и контроля, объединяющих человеческий фактор и передовые технологии в целях обеспечения максимального уровня эффективности работы оператора.

4. Достижения статуса поставщика систем автоматического управления и контроля, способных обеспечить не только обучение и повышение квали-фикации оператора, но и рабочую среду, создающую условия для повышения профессиональной уверенности и компетентности оператора в результате реализации наиболее ценных ресурсов и фактиче-ской интеллектуальной собственности.

Кроме того, компания АББ активно зани-мается организацией среды, благоприят-ной для повышения эффективности рабо-

разработана для различного персонала – руководства предприятия, системных администраторов, диспетчеров, техничес-кого персонала и операторов. Эффективность работы оператора – характеристика постоянная и неизменно актуальная. В этой связи, помимо повы-шения эффективности работы современ-ного поколения операторов компания АББ принимает во внимание и будущее поколе-ние. Некоторые заказчики компании АББ заявляют, что по мере увеличения воз-раста персонала растут и ожидания опе-раторов.

Многие операторы, поступающие на рабо-ту в наше время, выросли рядом с ком-пьютером, и цифровая информация их родная среда. Для этого нового поколения визуальные средства обучения являются идеальным способом ознакомления с ра-ботой установки. Результаты изучения ра-боты этого персонала по управлению про-цессом показывают, что они используют больше экранов, чем персонал старшего возраста. Кроме того, они выражают по-требность в более точной адаптации своих экранов. Молодые операторы предпочи-тают графическое отображение состоя-ния работы установки, в то время как опе-раторы старшего возраста стремятся понять принцип работы установки как по-следовательность. Поэтому компания АББ проводит активную деятельность по от-слеживанию и применению технологий бу-дущего и новых решений в области дизай-на, ориентированных на следующие поколения, квалификация и рабочие на-выки которых сильно отличаются от ны-нешних.

5 Концепция дисплея состояния процесса, появляющийся только при возникнове-нии нештатной ситуации

6 Электронные заметки на рабочей области панели совместной работы

ты оператора, постоянно ведет работы, например, в области разработки дизайна, ориентированного на пользователя, отсле-живает перспективные технологии и воз-можности их практического применения для повышения эффективности работы оператора. Потенциальным следствием этой деятельности является сокращение области возникновения ошибок, например, в результате более эффективного исполь-зования практического опыта оператора в сфере управления технологическими про-цессами, обеспечения быстрого доступа к релевантной информации в любых услови-ях рабочего процесса, поддержки операто-ра в процессе принятия решений. Все эти меры ориентированы на достижение ста-бильной экономической рентабельности заказчиков. Компания АББ уже достигла значительных успехов в области повышения качества рабочего процесса в результате того, что действительно поместила в центр внима-ния потребности операторов и создала исключительные интерфейсы системы управления производственным процес-сом, упрощающие процесс принятия оператором правильных решений в лю-бом режиме работы. Компания АББ на-строена на сохранение передовых пози-ций в этой области в результате постоянной исследовательской и проектно-конструк-торской деятельности, ориентированной на повышение качества производственно-го процесса на предприятиях заказчиков.

Хонгиу Пеи Бривольд, Мартин Олуссон ,Сюзанна Тимсьо, Магнус Ларссон ABB Corporate Research, Вестерос, Швеция[email protected]@[email protected]@se.abb.com

Рой ТаннерABB Inc., Уиклифф, США[email protected]

7 Выпадающая белая панель для обсужде-ния вопросов

Эффективность работы оператора – характеристика постоянная и неиз-менно актуальная.



Безопасность приводных системФункциональная безопасность механического оборудования, в частности, приводов переменного тока.

МИККО РИСТОЛАЙНЕН – Безопасность играет важнейшую роль в

производстве и должна иметь наивысший приоритет в каждой компании. Эта

цель иногда вступает в противоречие со стремлением быть как можно более

продуктивным. Тем не менее, благодаря усовершенствованным концепциям в

области управления и контроля, сегодня эти цели стали скорее не

конфликтующими, а дополняющими друг друга. Прежде безопасность часто

обеспечивалась посредством отдельного внешнего оборудования, а сегодня

интеграция позволяет защите, управлению и контролю все теснее

взаимодействовать друг с другом, используя общие данные и функции,

создавая тем самым комбинированную функциональность, немыслимую

ранее. Одной из областей такого взаимодействия являются приводы

переменного тока. Предлагаются самые различные варианты, от защитного

останова до сложных функций контроля, открывающие новые возможности

в области безопасности механического оборудования.

13Безопасность приводных систем

Наиболее эффективно снижение или ис-ключение рисков осуществляется на ста-дии проектирования. Но если при проек-тировании снижение рисков невозможно или нецелесообразно, то решением может быть обеспечение защиты посредством стационарных ограждений или функцио-нальной безопасности. Преимущество функциональной безопасности заключа-ется в том, что она часто может использо-ваться для увеличения производительно-сти, времени безотказной работы машины, достижения более плавной работы систе-мы безопасности при одновременном со-блюдении законодательных требований. Машины могут останавливаться быстрее и безопаснее, и что еще лучше, в опреде-ленное время работать на пониженной скорости для снижения риска.В тех отраслях, где люди работают в непо-средственной близости от машин, техно-логия функциональной безопасности мо-жет обеспечивать их защиту без останова процессов. При встраивании систем обе-спечения безопасности в рабочие процес-сы на стадии проектирования, безопас-ность становится частью процесса, обеспечивается защита людей и поддер-живается высокая производительность.

Обновленные стандарты для обновленных технологийВ результате развития технологий и стан-дартов были обновлены требования к ре-ализации систем управления, связанных с обеспечением безопасности. Прежде было сравнительно легко проектировать системы обеспечения безопасности со-гласно стандарту EN 954-1 («Безопас-ность механического оборудования – Детали систем управления, обеспечиваю-щие безопасность.

При разработке и создании машин соглас-но соответствующим гармонизированным стандартам предполагается, что данное механическое оборудование отвечает обязательным требованиям по охране труда и технике безопасности и обычно не требует сертификации сторонними орга-низациями. Изготовители могут сами де-лать заявление о соответствии упомяну-той Директиве в своей документации и наносить знак соответствия европейским стандартам (марку CE) на машину в каче-стве подтверждения соответствия уста-

новленным требованиям. Гармонизиро-ванные стандарты также являются руководством по определению области применения машины и ее эксплуатацион-ных ограничений, потенциальных факто-ров риска, а также средством оценки и измерения идентифицированных рисков. Стандарты помогут решить, необходимо ли снижение рисков, и выработать общий стратегический подход к снижению ри-сков до допустимого уровня.

Безопасность важна. Законы стран Европейского Союза тре-буют, чтобы механическое обо-рудование отвечало обязатель-

ным требованиям по охране труда и технике безопасности. Это означает, что все новое механическое оборудование должно отвечать одним и тем же законо-дательным требованиям при его поставке в пределах ЕС. Соблюдение этих требо-ваний обязательно для изготовителей или импортеров механического оборудова-ния.После гармонизации национальных тре-бований появилась Директива по механи-ческому оборудованию 2006/42/EC (за-менившая 29 декабря 2009 года старую директиву 98/37/EC). Она призвана га-рантировать, что механическое оборудо-вание является безопасным, спроектиро-вано и сконструировано таким образом, что может использоваться, настраивать-ся и обслуживаться на всех этапах своего срока службы с минимальным риском для людей и окружающей среды.Согласно этим требованиям, изготовите-ли (или их представители) должны выпол-нять и документировать оценки рисков и учитывать их результаты в конструкции машины. Любые риски должны быть сни-жены до допустимого уровня посред-ством изменения конструкции или приме-нения соответствующих защитных мер. После применения всех мер по снижению рисков должны быть задокументированы все остаточные риски. Один из способов выполнения процесса снижения рисков и обеспечения соответствия с упомянуты-ми выше требованиями – это применение соответствующих стандартов, гармони-зированных в рамках Директивы по меха-ническому оборудованию.

Конфигурируемые системы обеспечения безопасности сегодня могут использоваться при реализации самых различных стандарт-ных защитных функ-ций для приводов в соответствии со стан-дартом EN 61800-5-2.


стем управления также затронуло техно-логии безопасности, используемые в при-водах переменного тока. Традиционно в системах автоматизации, содержащих приводы, используются электромеханиче-ские реле защиты. На эти реле поступают сигналы от различных устройств защиты, таких как концевые выключатели и кнопки аварийного останова, и реле обеспучива-ют защитное отключение электропитания системы силовых приводов при превыше-нии заданных параметров.В современных системах защиты приво-дов переменного тока все чаще использу-ется электроника. Эта тенденция усили-лась настолько, что в 2008 году был принят новый стандарт для требований к функци-ональной безопасности приводных си-стем EN (IEC) 61800-5-2:2007 («Системы силовых электрических приводов с регу-лируемой скоростью – Часть 5-2: Требова-ния безопасности – Функциональная без-опасность»). Этот стандарт определяет требования к принципам проектирования приводных систем, связанных с безопас-ностью, а также ряд стандартных функций безопасности для приводов. Эти опреде-ления помогают определить маркетинго-вую терминологию, используемую для продвижения функций безопасности на рынок.Контакторы для безопасного останова вращающихся двигателей при аварии или предотвращения запуска, теперь могут быть исключены, благодаря новой функ-ции, встроенной в секцию электропитания привода. Функция безопасного отключе-ния момента (Safe Torque Off, STO) просто отключает модуляцию на выходе привода и полностью исключает возможность при-вода создавать в электродвигателе крутя-щий момент. Производительность процессов может

ния») для различных типов систем, связан-ных с безопасностью (включая, например, гидравлическое и пневматическое обору-дование). Оба эти стандарта основаны на обобщающем стандарте IEC 61508-1…7 («Функциональная безопасность электри-ческих, электронных и программируемых электронных систем управления, связан-ных с безопасностью»), определяющем общие требования к проектированию электрических и электронных систем управления, связанных с безопасностью.

Важным преимуществом является поддержкаВнедрение системы безопасности маши-ны от начала и до конца с соблюдением новых стандартов может оказаться слож-ным мероприятием. Какой стандарт сле-дует использовать? Как выполнять необ-ходимые расчеты и подтвердить правильность проектных решений? И так далее. Более того, поставщикам компо-нентов необходимо обеспечивать заказ-чиков поддержкой в процессах проекти-рования систем безопасности. Прогнозируется, что компании, обеспе-чивающие поддержку и предоставляю-щие свои знания для проектирования си-стем безопасности в дополнение к поставляемым компонентам, будут в бо-лее выгодном положении при получении заказов. Такая поддержка вполне может стать стандартным требованием для про-дажи продукции обеспечения безопасно-сти, а от поставщиков компонентов защи-ты потребуется проведение консультаций в области безопасности при продаже та-ких изделий.

Эволюция функциональной безопас-ности в приводах переменного токаЭволюционное развитие электронных си-

Часть 1: Общие принципы проектирова-ния»), который обеспечивал довольно простые правила проектирования для до-стижения определенного уровня безопас-ности (категории безопасности). Этот стандарт основан на причинно-следствен-ном подходе с упором на использование проверенных компонентов и методов.EN 954-1 является относительно простым стандартом, главным образом, для меха-нических и электромеханических систем. Он не охватывает сложных или программ-но-конфигурируемых электрических си-стем управления, связанных с безопасно-стью, которые стали стандартным решением для функциональной безопас-ности. Детерминистический подход к про-ектированию в стандарте EN 954-1 был заменен такими концепциями, как вероят-ность отказов и теория жизненного цикла. Целью стал охват всего жизненного цикла машины от первоначальной концепции до вывода из эксплуатации.Переходный период для стандарта EN 954-1 заканчивается в декабре 2011 года, после чего он станет устаревшим. Хотя EN 954-1 по-прежнему обеспечивает первостепен-ность соответствия Директиве по механи-ческому оборудованию до конца 2011 года, он не отвечает современному уровню.Современными гармонизированными стандартами согласно Директиве по меха-ническому оборудованию являются EN 62061:2005 («Безопасность механическо-го оборудования. Функциональная безо-пасность электрических, электронных и программируемых электронных систем управления, связанных с безопасностью») для электронных систем управления и EN ISO 13849-1:2008 («Безопасность механи-ческого оборудования. Элементы систем управления, связанные с безопасностью Часть 1: Общие принципы проектирова-

Стоимость установки усовершенствованной системы безопасности интегрированного типа обычно ниже, чем в случае, когда та же функциональность достигается с помощью внешних компонентов защиты, особенно при реализации нескольких функций защиты.

15

Пользоваться точной информациейИнтегрированные системы безопасности часто рекламируются в отраслевых жур-налах, на торгово-промышленных выстав-ках и в научных статьях. Поэтому функции безопасности часто становятся отличи-тельным качеством изделия, и безопас-ность преподносится как «обязательно необходимая» функция. Компоненты функциональной безопасно-сти могут значительно повысить произво-дительность и эксплуатационную пригод-ность машины с одновременным соблюдением требований безопасности. Но потребуется время для действительно-го понимания возможностей, предлагае-мых функциями безопасности, и их по-следствий, а также для обеспечения того, чтобы эти функции совпали с действи-тельными потребностями конкретного применения.Многие машиностроительные компании в настоящее время разрабатывают планы и спецификации для своего будущего меха-нического оборудования. Но, так как со-временные предложения по функциональ-ной безопасности не всегда понимаются в полной мере, то существует риск для по-купателей поддаться рекламной шумихе и выбрать изделия, в действительности не отвечающие их потребностям. Вместо вы-бора изделий по наиболее полному набору функций безопасности или наивысшему уровню безопасности, происходит выбор «просто на всякий случай». Следователь-но, для покупателей важно ясно понять и определить свои потребности в безопас-ности заблаговременно и выбрать изде-лия, отвечающие таким потребностям.Несмотря на множество средств, методов и правил в этой области, главной целью безопасности по-прежнему остается за-щита людей и окружающей среды. Чем больше информации имеет покупатель по системам безопасности, тем лучше он или она сможет отличить реальные преимуще-ства от рекламной шумихи и, следователь-но, избежать неправильных решений по приобретению этих систем. Компания АББ рекомендует своим заказчикам знать и быть готовым к этому, а также предлагает поддержку и консультации.

Микко Ристолайнен

АВВ Drives, Хельсинки, Финляндия

[email protected]

При этом потребуются подробные ин-струкции поставщика привода для под-держки такой конфигурации.Если необходима надежная связь, то в си-стеме часто предусматриваются две от-дельные шины Fieldbus: одна шина для экстренной связи с устройством защиты, и одна шина, работающая в нормальном режиме, для связи с приводом с целью управления. С другой стороны, конфигу-рируемые системы безопасности (часто с множеством дополнительных входов и вы-ходов) могут обеспечивать дополнитель-ные функции управления для других одно-типных систем машин за пределами сферы обеспечения безопасности.Оставляя позади использование внешних компонентов, следующим логическим ша-гом в безопасности приводов будет инте-грирование функций безопасности в сам привод. Это дает ряд преимуществ: умень-шается количество кабелей, освобожда-ются входы и выходы привода, экономит-ся пространство, а конфигурирование может выполняться через единственное соединение с одним комплектом средств настройки. Так как интегрированные функции безопасности являются специа-лизированными для каждого привода, то процесс ввода в эксплуатацию, в основ-ном, сводится к заданию значений пара-метров и опций поведения. Полного про-граммирования базового набора функций

больше не требуется в отличие от внешних систем, для которых необходимо блочное программирование функциональной логи-ки. Более того, может использоваться един-ственное соединение по шине Fieldbus как для связи в нормаль-

ном режиме, так и для экстренной связи. Общая функциональность обеспечения безопасности может быть оптимизирова-на при обмене по шине информацией о состоянии между защитной и управляю-щей частями привода. И, разумеется, си-стема становится внешне более привле-кательной без всех этих отдельных блоков и проводов.Разработка защиты, интегрированной в привод, ставит сложные задачи перед изготовителями приводов. Тем не менее, стоимость установки усовершенствован-ной интегрированной системы безопасно-сти обычно ниже, чем в случае, когда та же функциональность достигается с помощью внешних компонентов, особенно при реа-лизации нескольких функций защиты.

повыситься при использовании функции STO для защитного останова двигателя без отключения электропитания или цепи постоянного тока привода. Привод может быть быстро запущен повторно без пере-зарядки цепей постоянного тока или пере-установки параметров управления.Если требуются дополнительные функции, то функции STO можно расширить, комби-нируя ее с более совершенными функция-ми контроля. Предложения по внешнему оборудованию включают, например, реле выдержки времени или так называемые конфигурируемые системы безопасности. Они, обычно, занимают промежуточное положение между ПЛК и полупроводнико-выми реле защиты. Конфигурируемые си-стемы безопасности сегодня могут ис-пользоваться для реализации разнообразных стандартных функций за-щиты для приводов в соответствии с EN 61800-5-2. Типичные функции включают в себя различные функции защитного оста-нова (категории останова 0, 1, 2 по стан-дарту EN 60204-1), безопасное ограниче-ние скорости (Safely-Limited Speed, SLS), безопасное направление (Safe Direction, SDI), безопасный рабочий (фиксирован-ный) останов (Safe Operating Stop, SOS), безопасное (механическое) управление тормозом (Safe Brake Control, SBC) и т.д. – всего около 17 функций.Такие конфигурируемые системы стали

целесообразным вариантом при реализа-ции нескольких функций безопасности в одной системе. Для одиночных функций безопасности по-прежнему более целесо-образно использовать специализирован-ные компоненты с одной функцией, на-пример, реле выдержки времени или два реле с ручным управлением.Внешние компоненты обеспечения безо-пасности обычно требуют подсоединения и настройки для совместной работы с приводом. Разработка такой системы обычно предусматривает два отдельных устройства, подключаемых и конфигури-руемых для совместной работы. Это, в принципе, может приводить к значитель-ным усилиям при проектировании, монта-же и вводе в эксплуатацию такой системы.

Контакторы для безопасного останова вращения двигателей в аварийных ситуациях теперь могут быть исключены благодаря новой функции, встроенной в секцию электропитания привода.

Безопасность приводных систем


РОБЕРТ ПЛАТЕК, БОГУШ ЛЕВАНДОВСКИ – Обычные послед-

ствия землетрясений - это сильные разрушения, возможные

человеческие жертвы и масштабные повреждения объектов

инфраструктуры. Помимо фактического ущерба в результате

разрушения энергетических сооружений и оборудования,

затраты времени на восстановление нормального режима

работы влекут дополнительные расходы вследствие упущенной

прибыли и сокращения производительности. Аналогично

постоянным усовершенствованиям в области строительных

технологий, позволяющим возводить здания с повышающимся

уровнем сейсмостойкости, при разработке конструкций

электротехнического оборудования также предусматривается

предотвращение его повреждений в таких условиях. Создание

сейсмостойких объектов энергетики - непростая задача.

Габариты крупного трансформатора, включающего фундамент,

бак, вводы, верхнюю крышку и соединения, слишком велики,

чтобы установить его на платформе вибрационного стенда, а

характеристики этих компонентов, полученные в результате их

индивидуальных испытаний, необязательно являются типичны-

ми, когда речь идет о системе, в состав которой они включены.

Кроме того, рассмотрение этих компонентов в сборе также

недостаточно, поскольку общие эксплуатационные характери-

стики в условиях сейсмической активности будут изменяться

из-за жидкости внутри системы. Компания АББ разработала

передовую комплексную методику, включающую проведение

испытаний и различные варианты моделирования, предназна-

ченную для более точной оценки эксплуатационных характери-

стик компонентов в сборе в условиях сейсмической активности

и позволяющую разрабатывать трансформаторы, которые

останутся невредимыми после землетрясения.

Углубленный анализ сейсмостойкости объектов энергетики

Эксплуатационные характеристики в условиях сейсмической активности

17Эксплуатационные характеристики в условиях сейсмической активности

измерений чрезвычайно полезны при дальнейшей разработке цифрового инструментария для расчетов сейсмических данных.

Динамические характеристики системы, включающей трансформатор в сборе с вводамиМногие специалисты отмечают, что дина-мические характеристики ввода, установ-ленного на трансформаторе, отличаются от значений, полученных при его индиви-дуальных испытаниях. Действительно, реакция трансформатора в сборе с вво-дами при сейсмических воздействиях за-висит от взаимодействия взаимосвязан-ных компонентов.Кроме того, соединения оборудования, установленного на открытой местности,

могут стать причиной его повреждений [4]. Для количественного описания этого эф-фекта требуются дополнительные иссле-дования.

Анализ вводов трансформатора SeismicRIP Сложные конструкции могут иметь множество различных мод резонансных колебаний1 в опасном диапазоне сейсмических частот. Поэтому компания АББ проводит анализ динамических характеристик этих мод. Численный анализ ввода трансформатора SeismicRIP™ на 230 кВ в условиях сейсмических нагрузок проводился по методу конечных элементов (FEM). В соответствии с представленной далее методикой, оценка несущей способности конструкций в условиях сейсмических нагрузок проводилась на основе линейного анализа с использованием мод колебаний конструкции, не превышающих критическую частоту среза (33 Гц). Когда резонансные моды определены, благодаря их ортогональности2 можно построить график линейного о т к л и к а конструкции как отклик системы с одной степенью свободы. Иначе говоря, механические характеристики конструкции ввода в условиях колебаний грунта выводятся как линейное наложение мод его собственных колебаний. Каждая собственная частота по-своему влияет на результирующие движения, в зависимости от спектра возбуждения (см. рис. 1).Результаты, полученные при моделировании, совпали с результатами измерений при испытаниях. Максимальное расхождение значений частоты свободных колебаний составило от 1 до 4 %. При максимальном ускорении в точке измерений (верхняя точка ввода) расхождения составили от 3 до 14 % [3]. Результаты проверки правильности

Известно несколько способов оценки эксплуатационных х а р а к т е р и с т и к э л е к т р о т е х н и ч е с к о г о

оборудования в условиях сейсмической активности. Как правило, эти способы включают выполнение статических расчетов для оценки сил, возникающих во время сейсмического явления при известном ускорении грунта, и сравнение полученных результатов с характеристиками сейсмостойкости оборудования. Эти характеристики могут быть получены как путем теоретических расчетов, так и в результате измерений в реальных условиях. При выполнении этих расчетов применяются две основные группы международных стандартов – IEEE 693 и IEC 61463. Стандарт IEEE 693-2005 “Рекомендованные методики по проектированию сейсмостойких подстанций” [1] выпущен в новой редакции и включает инструкции по аттестации оборудования электрических подстанций для эксплуатации в условиях сейсмической активности различной степени. Стандарт IEEE 693 настоятельно рекомендует, чтобы оборудование во время аттестации было установлено на опорной конструкции, которая будет применяться на подстанции. Напротив, стандарт IEC 61463 «Вводы – Аттестация характеристик сейсмостойкости» [2] представляет собой рекомендации Международной электротехнической комиссии (МЭК) по аттестации трансформаторных вводов на сейсмическую безопасность. В большинстве случаев вводы, соответствующие требованиям стандарта IEEE 693, также соответствуют требованиям стандарта IEC 61463.

Хотя для аттестации критических компонентов на сейсмическую безопасность настоятельно рекомендуется проводить испытания на вибростенде, при оценке сейсмостойкости этих изделий весьма эффективным может оказаться применение методов численного анализа. Кроме того, в некоторых случаях, когда проведение испытаний невозможно вследствие большого веса оборудования (например, силовых трансформаторов), методы численного анализа являются единственным способом оценки динамических характеристик системы.

Новые средства моделирования всегда должны быть проверены опытным путем. При этом можно оценить точность расчетов и выявить преимущества и недостатки.

1 Отдельные формы мод колебаний ввода трансформатора SeismicRIP™ на 230 кВ (для увеличения деформаций применялся коэффициент масштабирования).

Мода 1 Мода 3 Мода 5

3

2 1

3

2 1

3

2 1

Ссылки1 Мода – это схема перемещений тела,

совершающего колебания. Обычно тело может совершать колебания в нескольких основных модах, а также в соответствии со всеми возможными наложениями этих мод. Например, балка с закрепленными концами может совершать колебания в форме полупериодических синусоидальных волн, но также может совершать колебания в форме синусоидальных волн с более высокой частотой. Количество мод колебаний сложного трехмерного твердого тела значительно больше, чем в приведенном примере простого одномерного тела.

2 Ортогональные моды колебаний – это моды, которые не вызывают взаимное возбуждение.


Частота (Гц)

LP Ввод Ввод в сборе с верхней крышкой, поворотной опорой и баком

1 14.13 7.08

2 14.13 7.38

3 – 8.36

4 – 8.74

проводится на следующем этапе (см. рис. 5). Для проведения расчетного гидроди-намического анализа создается модель конструкции (бака) с жидкостью, а для расчета конструкции используется мо-дель пустого бака. Принципы расчетной гидродинамики также применяются при моделировании воздействия воздушного потока на жидкость. Данные о силах, дей-ствующих на стенки конструкции, посту-пают в систему расчета конструкции и применяются как граничные условия. За-тем данные о новой форме конструкции передаются на инструменты расчетного гидродинамического анализа, которые выполняют обновление масштабной сет-ки модели для следующего приращения. При оценке деформирующих напряже-ний, растяжений и деформаций конструк-ции учитывается динамика жидкости.

Экспериментальная проверка предло-женной методики Новые средства моделирования всегда должны быть проверены опытным путем. При этом можно оценить точность расче-тов и выявить преимущества и недостат-ки. Для экспериментальной проверки применялся, в частности, опытный ком-бинированный измерительный высоко-вольтный трансформатор JUK 145. Изме-рительная установка показана на рис. 6а. В процессе моделирования для анализа

Взаимодействие жидкой среды и конструкции Известно множество исследований, це-лью которых было правильное определе-ние динамических характеристик систе-мы, включающей трансформатор в сборе с вводами (с баком, верхней крышкой, поворотными опорами и вводами [4], [5]). Однако ни в одной из этих работ не учи-тывался чрезвычайно важный фактор – охлаждающая жидкость. Известны рабо-ты, в которых рассматривалось воздействие охлаждающей жидкости на реакцию напорного бака при сейсмиче-ском воздействии [6], а также исследова-ния характеристик таких систем в усло-виях эксплуатации в открытом море и при морской транспортировке [7]. Но все эти работы имеют лишь косвенное отноше-ние к определению динамических харак-теристик системы, включающей транс-форматор в сборе с вводами. Для изучения влияния охлаждающей жидкости на динамические характери-стики было предложено провести иссле-дования взаимодействия жидкой среды и конструкции. В основе методики иссле-дования взаимодействия жидкой среды и конструкции лежит обмен данными, полу-ченными при моделировании потока жид-кости и при измерении механических ха-рактеристик.

Сейсмический анализ на основе взаимодействия жидкой среды и конструкции Полный сейсмический анализ (синусоид-ная развертка, временная диаграмма землетрясения, испытания на синусоид-ную пульсацию) - комплексный процесс. Так, при подготовке к испытаниям на си-нусоидную пульсацию, при которых про-водится определение мод и их форм, жидкость должна быть смоделирована как акустическая среда. На основе ре-зультатов этого этапа можно определить исходные условия (движения) для расчет-ного гидродинамического анализа (см. рис. 4). Полный объем исследований на основе взаимодействия жидкости и конструкции

Метод конечных элементов хорошо под-ходит для проведения дополнительных исследований и оценки динамических ха-рактеристик системы, включающей трансформатор в сборе с вводами (для вводов RIP под напряжение 230 кВ). В результате построения моделей для обоих случаев (для отдельного ввода и для системы, включающей трансформа-тор в сборе с вводами, см. рис. 2) были получены различные значения динамиче-ских характеристик. Частота свободных колебаний, определенная на модели от-дельного трансформаторного ввода, не совпадает с частотой, определенной на модели ввода, смонтированного на трансформаторе (см. рис. 3).Результаты исследований однозначно подтверждают, что всеобъемлющий ана-лиз характеристик трансформаторных вводов при сейсмических воздействиях требует рассмотрения системы в ком-плексе.

Результаты, полученные при моделировании, совпадают с результа-тами измерений при испытаниях. При анали-зе ввода трансформа-тора SeismicRIP макси-мальное расхождение значений частоты сво-бодных колебаний со-ставило от 1 до 4 %.

2 Распределение нагрузок на силовом трансформаторе при сейсмическом воздействии

3 Величина низшей собственной частоты колебаний ввода изменяется после его монтажа на оборудовании.

4 Первый этап сейсмического анализа на основе взаимодействия жидкой среды и конструкции

Воздух

Расчетный гидродинамический анализ

Определение движений для гидродинамического анализа

Вода

движение = вектор скорости (t) Расчет конструкции

Расчет собственных мод –данные о модах

Величина низшей собственной частоты ввода, установленного на жесткой раме, не совпадает со значением частоты колебаний ввода, смонтированного на силовом трансформаторе.

19

Более подробная информация [1] Стандарт IEEE 693-2005, Рекомендованные

методики Института инженеров по электро-технике и электронике (IEEE) по проектирова-нию сейсмостойких подстанций, Отдел стандартизации IEEE, 2005.

[2] Стандарт IEC 61463 Технический отчет II; Вводы – аттестация характеристик сейсмо-стойкости, Luglio, 1996.

[3] Дж. Рокс, Н. Кох, Р. Платек, Е. Новак (2007). Реакция трансформаторных RIP-вводов при сейсмическом воздействии. Всемирный конгресс INMR по изоляторам, разрядникам и вводам, Бразилия.

[4] С. Эрсой, М.А. Саадежвазири (2004). Реакция систем, включающих трансформатор в сборе с вводами, при сейсмическом воздействии. Сборник трудов IEEE по проблемам поставки электроэнергии, Энергетическая ассоциация при Институте инженеров по электротехнике и электронике (IEEE), том 19.

[5] А. Фильятраут, М. Эери, Р. Матт (ноябрь 2005). Экспериментальная оценка реакции систем, включающих высоковольтный трансформатор в сборе с вводами, при сейсмическом воздействии. Earthquake spectra, том. 21.

[6] Р. Ливаоглу, А. Догангун (2005). Оценка реакции систем, включающих наземный напорный бак с жидкостью, установленный на фундаменте, при сейсмическом воздей-ствии в диапазоне частот. Технический университет Карадениз, факультет граждан-ского строительства. Трабзон, Турция.

[7] М. Вармовска (2006). Численное моделирова-ние движения жидкости в частично заполненном баке. Opuscula Mathematica, том 26, № 3.

[8] А.С. Уитттакер, Дж.Л. Фенвес, А.С.Дж. Джиллиани (2001). Оценка методик аттеста-ции высоковольтного оборудования подстанций, предназначенного для эксплуа-тации в условиях сейсмической активности. In P. Chang (Ed.), Международный Конгресс и выставка по строительным конструкциям. Вашингтон, округ Колумбия.

на основе взаимодействия жидкости и конструкции (акустическая среда) была построена трехмерная модель (см. рис. 6b), на которой проводился анализ мод колебаний трансформатора (см. рис. 6с). Сравнение результатов (фактических из-мерений и моделирования) приведено на рис. 7.Следующий этап включал подготовку к проведению лабораторных сейсмических испытаний. Трансформатор JUK 145 успешно прошел аттестацию для эксплу-атации в условиях сейсмической актив-ности в соответствии с требованиями стандарта IEC 60068. Запланировано проведение полного объема модельных испытаний на основе взаимодействия жидкой среды и конструкции, что позво-лит провести дополнительные экспери-ментальные проверки.

Прогресс в области моделирования сейсмической активности Результаты испытаний вводов на вибро-стенде продемонстрировали их хорошие эксплуатационные характеристики в аспекте общей реакции, определенной стандартом IEEE 693 [8].При аттестации оборудования для экс-плуатации в условиях сейсмической ак-тивности целесообразно принять во вни-мание результаты анализа характеристик вводов трансформатора SeismicRIP по методу конечных элементов, которые де-

Установлено, что при сейсмическом воздействии охлаждающая жидкость оказывает большое влияние на экс-плуатационные характеристики трансформатора в сборе с вводами.

монстрируют возможность прогнозиро-вания относительного ускорения и пере-мещения с высоким уровнем точности [3]. Однако, если не ограничиваться этим, понимание механизмов взаимодействия компонентов оборудования подстанций и охлаждающей жидкости при сейсмиче-ском воздействии имеет огромное значе-ние. Дальнейшие исследования этих про-цессов могут способствовать повышению эксплуатационных характеристик под-станций и продуктов, заполненных жид-кой средой.Работы по исследованию фактора жид-кой среды при аттестации продуктов, за-полненных жидкостью, для эксплуатации в условиях сейсмической активности продолжаются. Бесспорно, предложен-ная методика уникальна, она помогает оценить динамические характеристики системы в целом и улучшить ее эксплуа-тационные характеристики при сейсми-ческом воздействии.

Роберт Платек

Компания ABB, отдел корпоративных исследований

Краков, Польша

[email protected]

Богуш Левандовски

Компания ABB, отдел высоковольтной продукции

Лодзь, Польша

[email protected]

5 Второй этап сейсмического анализа на основе взаимодействия жидкой среды и конструкции

Силы, действующие на стенки

Новая форма стенок

Жидкость

Бак

Бак+

Расчетный гидроди-намический анализ Расчет конструкции

– Свободная конвекция воздуха

– Обновление масштабной сетки модели

– Деформации– Напряжения – Растяжения

7 Сравнение значений собственной частоты колебаний, измерен-ных при испытаниях и полученных расчетным путем на модели, построенной для анализа на основе взаимодействия жидкости и конструкции

LP Измеренная Расчетная частота (Гц) частота (Гц)

Сухие Масло- Сухие Масло- наполненные наполненные

1 8.5 5.4 6.21 5.09

2 10.5 6.2 13.88 11.17

3 24.6 24 25.39 16.52

4 25.4 27.5 19.56

5 28.64 20.64

6 28.85 23.75

6a Высоковольтный измерительный трансформатор, предназначенный для анализа

6b Трехмерная модель высоковольтного измерительного трансформатора6c Распределение нагрузок при расчетной низшей моде колебаний

6 Экспериментальная проверка результатов моделирования

a b c

Эксплуатационные характеристики в условиях сейсмической активности


21Полупроводники – важнейшее средство реализации энергосетей

T радиционно сети электро-снабжения создавались вокруг больших централизованных электростанций, генерирующих

электроэнергию предсказуемым и контролируемым образом, которая затем стабильно подавалась в сеть. Несмотря на часовые флуктуации потребления, в этих сетях поддерживалось однонаправленное распространение электроэнергии. В настоящее время существуют аналогичные часовые флуктуации потребления, однако, возросшее использование возобновляемых источников энергии, применяемых для сокращения выбросов CO2, означает, что сети энергоснабжения также должны справляться с колебаниями подачи электроэнергии. Такие нерегулярные и изменчивые источники энергии (например, солнечной и ветровой) подчеркивают необходимость хранения энергии, а также наличия систем, координирующих доступные источники выработки энергии с изменяющимися зависимостями потребления.

Флуктуации спроса и предложения могут до некоторой степени компенсировать друг друга за счет торговли электроэнергией. Эффективная передача электроэнергии от источника к потребителю через соседние энергосети, возможно на большие расстояния и в обе стороны, связана с рядом проблем. Эти проблемы обостряются в связи с постоянно растущим спросом на энергию, который должен удовлетворяться при одновременном снижении выбросов

КЛАЕС РИТОФТ, ПИТЕР ЛУНДБЕРГ,

ХАРМИТ БАВА, МАРК КУРТИС

– Отрасль энергетики быстро изменяется

в связи с постоянно растущим уровнем

потребления электроэнергии, расшире-

нием использования альтернативных и

часто удаленных источников электро-

энергии, а также все большим внимани-

ем к эффективности использования

энергии и надежности сетей. Развитие

силовых полупроводниковых приборов и

использование этой технологии в

различных областях силовой электрони-

ки способствуют многим таким измене-

ниям. Силовые полупроводниковые

приборы стали основными компонентами

коммутационных устройств на основе

силовой электроники, которые регулиру-

ют передачу электроэнергии и ее

преобразование для получения формы

колебаний и частоты, необходимых для

различного применения. Полупроводни-

ки лежат в основе многих технологий

энергетики, и являются важнейшим

фактором, определяющим характеристи-

ки будущих сетей энергоснабжения

Полупроводники являются важнейшим элементом сетей энергоснабжения

Полупроводники – важнейшее средство реализации энергосетей

парниковых газов. Увеличение мощности для использования электромобилей и управление растущим спросом еще больше повысят сложность энергосистемы, создавая стимулы для разработки более интеллектуальных, гибких и надежных сетей.

Компания АББ разработала и внедрила ряд новаторских технологий, помогающих отрасли энергетики выполнить эти обязательства. Данные технологии основаны на применении силовых полупроводниковых приборов, что объясняет недавнее расширение АББ своих производственных мощностей. Производство и продолжающаяся разработка специализированных силовых полупроводниковых приборов обеспечивают компании АББ важнейшее

место в реализации этих технологий. АББ объединится с энергетической промышленностью для решения задач по разработке гибких, эффективных и надежных сетей энергоснабжения, внедряя новаторские решения на основе применения полупроводниковых приборов большой мощности, разработанных для получения более высоких рабочих характеристик рис. 1.

Полупроводники лежат в основе многих технологий энергетики, и являются важнейшим фактором, определяющим характери-стики будущих сетей энер-госнабжения.


системе сверхвысокое, высокое, среднее или низкое напряжение. Для каждого цик-ла кабель переменного тока заряжается до напряжения системы и затем снова разряжается. Такой ток зарядки увеличи-вается по мере увеличения длины кабеля. При определенной длине ток зарядки ка-беля и его оболочки становится настолько большим, что не остается никакой полез-ной энергии, однако, задолго до достиже-ния этой длины, передача электроэнергии становится неэкономичной. С другой сто-роны, для кабеля постоянного тока нет со-ответствующего тока зарядки. Для такого кабеля полезным является весь ток. Для эффективной передачи электроэнергии потребителям на большие расстояния с малыми потерями, шведская компания ASEA, предшественница АББ, в начале 1950-х годов разработала систему пере-дачи энергии постоянного тока мощно-

стью 30 мегаватт. Такая система была впервые использована между островом Готланд и материковой частью Швеции рис. 2. Эта линия электропередачи была важной, так как позволила передавать большой объем электроэнергии с малыми потерями по подводным кабелям, обеспе-чив островитян надежным доступом к де-шевой электроэнергии. После этого пер-вого опыта компания АББ продолжала совершенствовать технологию и заменила использовавшиеся ранее хрупкие ртутные вентили, применявшиеся для преобразо-вания переменного тока в постоянный и постоянного в переменный, надежными силовыми полупроводниковыми прибора-ми. В настоящее время некоторые из крупнейших городов мира, включая Шан-хай, Дели, Лос-Анджелес и Сан-Паулу, по-лучают огромные объемы электроэнер-гии, часто на расстояния в тысячи километров, с использованием высоко-вольтных линий передачи постоянного тока. Кроме того, компания АББ проложи-ла несколько подводных высоковольтных кабелей постоянного тока, соединивших ряд стран западной Европы, в том числе Норвегию и Нидерланды по проекту

АББ объединится с энергетической про-мышленностью для решения задач по раз-работке гибких, эффек-тивных и надежных сетей энергоснабжения.

Возобновляемая энергия Как правило, наиболее надежные источ-ники возобновляемой энергии, например, сильный ветер, интенсивное солнечное излучение или большие объемы движу-щейся воды, находятся в удаленных реги-онах Земли, на большом расстоянии от населенных пунктов и промышленных центров. Передача электроэнергии на большие расстояния с использованием

традиционных систем передачи перемен-ного тока оказывается менее эффектив-ной и в некоторых случаях не может быть использована. Например, для подводных кабелей, необходимых для передачи элек-троэнергии от расположенных в море ве-тровых турбин на материк. Проблема за-ключается в том, что в системе переменного тока направление тока изме-няется 50 или 60 раз в секунду (т.е. 50 / 60 Гц), независимо от того, используется ли в

1 Технология для корпусов полупроводниковых приборов

Практически все серийно выпускаемые полупроводниковые приборы основаны на применении кремния. Но постоянная оптимизация технологии кремниевых материалов привела к тому, что их характеристики очень близки к физическим пределам. Это означает, что возможности оптимизации данного аспекта конструкции ограничены. Однако, еще остается значительный потенциал для совершенствования корпусов полупроводниковых приборов.Имеется две основные формы корпусов полупроводниковых приборов большой мощности. Основная разница между ними заключается в том, что в изолированном модуле электрическая цепь гальванически отделена от радиатора с помощью керамического изолятора, а в варианте с прижимным контактом ток проходит по вертикали через весь модуль, т.е. в том числе и через радиатор.Оба варианта корпуса пригодны для биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT) и биполярных транзисторов с коммутируемым затвором (IGCT). Однако, в настоящее время на практике IGCT выпускаются только в корпусах с прижимным контактом, а IGBT – в обоих вариантах. Сейчас изолированные корпуса в основном используются для систем с малой выходной мощностью (в основном ниже 1 МВт), так как стоимость строительства цепи может быть ниже. С другой стороны, корпуса с прижимным контактом предпочитают использовать для выходной мощности свыше 10 МВт. Имеется несколько причин для такого

предпочтения. Две наиболее важные рассматриваются ниже: – В системах с очень высокой выходной

мощностью полупроводниковые приборы должны быть соединены параллельно и/или последовательно. Для таких систем корпуса с прижимным контактом обладают значительными преимуществами, так как модули можно устанавливать в стеки. При этом они разделяются только радиаторами. В качестве примера можно привести высоковольтные системы передачи постоянного тока, в которых последовательно соединяются до 200 модулей.

– Корпус с прижимным контактом должен использоваться в том случае, если требуется обеспечить гарантированное бесперебойное протекание тока (например, в случае инвертора тока). В случае пробоя полупроводника в корпусе с прижимным контактом происходит сплавление металлических выводов, в результате чего обеспечивается путь тока с низким полным сопротивлением. И, наоборот, в изолированном корпусе ток проходит через проволочные выводы, которые в случае пробоя испаряются под действием импульса большого тока и цепь размыкается.

Примечание 1 CTE – коэффициент теплового расширения

Ô a Силовые выводы и выводы управленияÔ b Проволочный выводÔ c Радиатор

Ô d Керамика (обычно AIN)Ô e Пластина основания (обычно AlSIC)Ô f Полупроводник

Ô g КорпусÔ h РадиаторÔ i Компенсация CTE1 (Mo)

Ô j Корпус (керамика) Ô k МедьÔ l Полупроводник

a

b

d

c h

e

f

a a

gl

i kj

ki

В изолированном корпусе полупроводниковый элемент Ô f гальванически изолирован от радиатора Ô c. Электрические контакты в модуле обеспечиваются при помощи проволочных выводов. В случае пробоя эти выводы обычно испаряются и модуль перестает проводить ток. В корпусе с прижимным контактом ток нагрузки поступает через одну поверхность Ô k и выходит через противоположную. Низкое электрическое и тепловое сопротивление контактов обеспечивается благодаря высокому механическому давлению на поверхности. В случае пробоя кремниевый полупроводник Ô l и молибден в Ô i плавятся и соединяются, таким образом, ток будет продолжать протекать.

23

обладают очень высокими показателями надежности. Потери в преобразователях невелики, стоимость оборудования мини-мизирована, так как данная технология является сравнительно отработанной. Си-стемы HVDC будут играть важную роль в сетях будущего. Компания АББ обладает уникальными возможностями, так как производит все основные компоненты, начиная от кабелей, преобразователей и трансформаторов и до силовых полупро-водниковых приборов.

Ultra-HVDC Совсем недавно достижения технологии позволили повысить номинальное напря-жение до 800 кВ с использованием систем UHVDC (ультра HVDC). Для достижения такого уровня мощности были внедрены новые 6-дюймовые тиристоры площадью 130 см2, которые позволили повысить нор-мальный ток до 4000 А без влияния на ча-стоту переключения. Такие новаторские решения позволили получить самое боль-шое увеличение мощности и эффективно-сти передачи электроэнергии более чем за два десятилетия. Данная технология была использована для передачи 6400 МВт электроэнергии на расстояние более 2071 км от гидроэлектростанции Сянцзя-ба на юго-западе Китая до Шанхая на вос-токе, обеспечив экологически чистой электроэнергией приблизительно 31 мил-лион человек рис. 4.

HVDC Light Полезная адаптация системы HVDC Classic была произведена в 1990-х годах, когда АББ разработала систему HVDC Light®. В этой системе для преобразова-ния мощности используются транзисторы,

NorNed. АББ также соединила морские ветровые электростанции с материком, в том числе самую удаленную морскую ве-тровую электростанцию, расположенную в Северном море в 128 километрах от ма-териковой части Германии по проекту BorWin1. Для достижения этих целей АББ разработала серию высоковольтных си-стем передачи постоянного тока для ряда специализированных применений.

HVDC ClassicСистема HVDC (высоковольтная передача постоянного тока) Classic, как предполага-ет ее название, была новаторской техно-логией, в которой сначала использова-лись ртутные вентили. В настоящее время для преобразования мощности использу-ются тиристоры (см. описание этих устройств в статье «Полупроводники без тайн» на стр. 26 АББ Ревю 3/2010). Тири-сторы соединяют последовательно и включают в состав тиристорных модулей, в которых каждый тиристор может выдер-жать напряжение 8,5 киловольт (кВ). Эти модули (в корпусах с прижимным контак-том) затем последовательно соединяют по слоям для получения тиристорных венти-лей на полное напряжение рис. 3. Для данного применения частота переключе-ния каждого тиристора составляет 50 Гц (или 60 Гц). Данная система в основном используется для передачи больших объ-емов электроэнергии на большие рассто-яния по суше или под водой, что позволяет соединять сети электроснабжения между собой для достижения более высокой ста-бильности, где нельзя использовать тра-диционные методы передачи переменного тока. Современные системы HVDC рас-считаны на очень большую мощность и

2 Прокладка кабеля для высоковольт-ной линии постоянного тока на остров Готланд в 1954 г.

3 Зал тиристорных вентилей 4 Линия сверхвысокого напряжения постоянного тока Сянцзяба – Шанхай длиной 2071 км

Шанхай

Сянцзяба

Китай

Компания АББ проло-жила несколько подво-дных высоковольтных кабелей постоянного тока, соединивших ряд стран западной Европы, включая проект NorNed, линию длиной 580 км между Норвегией и Нидерландами.

5 Модуль StakPak™ c биполярными транзисторами с коммутируемым затвором (IGBT)

Кремниевая пластина с чипами

Чип одного IGBT

Субмодуль Модуль StakPak™



сети переменного тока. Вызываемые эти-ми элементами потери мощности связаны с возникновением магнитных полей (в слу-чае индуктивных элементов) или электри-ческих полей (в случае емкостных элемен-тов), что значительно снижает реально доступную в системе мощность (объясне-ние активной и реактивной мощности при-водится на стр. 35 АББ Ревю 3/2009). Устройства компенсации реактивной мощности, например, батареи статиче-ских конденсаторов рис. 8, могут автома-тически подключаться к системе при ин-дуктивных условиях, что приводит к повышению напряжения в системе, элек-трические реакторы могут использовать-ся для поглощения вар (вольт-ампер реак-тивной мощности) системы, что приводит к снижению ее напряжения в емкостных условиях. Если реактивная мощность не будет компенсирована на месте, она будет распространяться по линиям передачи, приводя к дестабилизации сети, что может привести к отключению электроснабже-ния. Термин FACTS относится к группе тех-нологий, повышающих безопасность, про-пускную способность и гибкость систем передачи электроэнергии. Эти технологии могут использоваться для новых или су-

ния. Для построения системы HVDC Light с номинальной мощностью 300 МВт, сое-диняют последовательно 6000 модулей StakPak, содержащих приблизительно 200 000 чипов IGBT рис. 5 и рис. 6. Каждый модуль StakPak состоит из нескольких субмодулей (их может быть два, четыре или шесть). Частота переключения IGBT может определяться в соответствии с при-менением и обычно находится в диапазо-не от нескольких сотен герц до 1 кГц. Со-единение IGBT описанным образом позволяет получить компактный электрон-ный преобразователь мощности с высо-кой степенью управляемости, способный обеспечить стабильность напряжения

даже для сетей без дополнительных источников мощно-сти. Первый проект с использованием системы HVDC Light представлял собой опытную ли-нию передачи на 10 кВ Халлсьон-Гран-гесберг, которая была построена в 1997 г. После этого

было построено много преобразователь-ных подстанций, самая крупная из кото-рых имеет максимальный запирающий ток 4000 А при нормальной работе и может выдерживать приблизительно 18 кА в ус-ловиях короткого замыкания рис. 7.

Гибкие системы передачи электроэнер-гии переменного тока (FACTS)В силовых системах переменного тока всегда возникали проблемы с реактивной мощностью. Данный компонент мощности переменного тока потребляется конденса-торами, трансформаторами и асинхрон-ными электродвигателями, которые явля-ются распространенными элементами

а не тиристоры. Система HVDC Light так-же позволяет передавать электроэнергию на большие расстояния с использованием незначительно влияющих на окружающую среду подземных и подводных кабелей или воздушных линий. Однако использо-вание быстродействующих полупрово-дниковых переключателей с управляю-щим затвором, например, биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT), сделало возможным использова-ние современных преобразователей на-пряжения (VSC) в качестве составной ча-сти системы, что позволяет быстро вводить или поглощать реактивную мощ-ность. Отличные возможности стабилиза-

ции переменного напряжения на вводах делают эту технологию идеально подходя-щей для ветровых электростанций, на ко-торых изменения скорости ветра могут вызывать сильные флуктуации напряже-ния. Аналогично, выдающаяся управляе-мость и гибкость этих устройств приводит к расширению их использования для сое-динения буровых для добычи нефти и газа с материком, а также для соединения се-тей энергоснабжения.

Но в отличие от тиристоров, для управле-ния которыми используется ток затвора, для управления переключением IGBT тре-буется только небольшой сигнал напряже-

Компания АББ обладает уникаль-ными возможностями, так как про-изводит все основные компоненты, начиная от кабелей, преобразова-телей и трансформаторов и до силовых полупроводниковых при-боров.

7 Крупные установки с использованием системы HVDC Light и SVC

6 Зал вентилей IGBT

Проект Кол-во преобра-зователей

Год ввода в эксплуата-

цию

1 Hällsjön 2 1997

2 Hagfors (SVC) 1 1999

3 Gotland 2 1999

4 Directlink 6 2000

5 Tjæreborg 2 2002

6 Eagle Pass 2 2000

7 Moselstahlwerke (SVC) 1 2000

8 Cross Sound Cable 2 2002

9 Murraylink 2 2002

10 Polarit (SVC) 1 2002

11 Evron (SVC) 1 2003

12 Troll A 4 2005

13 Holly (SVC) 1 2004

14 Estlink 2 2006

15 Ameristeel (SVC) 1 2006

16 ZPSS (SVC) 1 2006

17 Mesnay (SVC) 1 2008

18 Martham (SVC) 1 2009

19 Liepajas (SVC) 1 2009

20 Siam Yamato (SVC) 1 2009

21 BorWin 1 (Nord E.ON 1) 2 2010

22 Caprivi Link 2 2010

23 Valhall 2 2010

24 Liepajas Metalurgs (SVC) 1 2010

25 Danieli – GHC2 (SVC) 1 2011

26 Danieli – UNI Steel (SVC) 1 2011

27 EWIP 2 2012

25

в точках подключения их к сети перемен-ного тока, чтобы можно было вводить или поглощать реактивную мощность. Это связано с тем, что системы HVDC могут передавать только активную мощность, таким образом, они создают эффектив-ный барьер для распространения реак-тивной мощности. В то время как такая схема может предотвратить “эффект до-мино” каскадного распространения реак-тивной мощности, которое может охва-тывать всю сеть, приводя к лавине напряжения и отключениям, она также сокращает доступные источники реак-тивной мощности. С целью компенсации такой нехватки реактивной мощности, устройства SVC должны устанавливаться в точке подключения HVDC, чтобы обе-спечить стабильность и предоставить местные возможности для поглощения или ввода реактивной мощности.

Одно из последствий соединения сетей электропередачи в целях торговли элек-троэнергией заключается в повышении уязвимости сети к распространению проблем. Имеется два преимущества ис-пользования систем HVDC для соедине-ния сетей переменного тока. Они обра-зуют барьер для распространения реактивной мощности, как было описано выше, и также позволяют соединять рас-пределительные магистрали с различной частотой или сети с одинаковой номи-нальной частотой, но без фиксирован-ной связи между фазами, или же сети, для которых выполняются оба эти усло-вия (т.е. сети с различной частотой и раз-ным количеством фаз). Естественно, что нет необходимости в большой длине та-ких соединений. В одном здании может быть установлена короткая вставка по-стоянного тока с оборудованием HVDC со статическими инверторами и выпря-мителями.

ществующих линий передачи электроэ-нергии при последовательном подключе-нии, например, при использовании последовательно включенных конденса-торов с тиристорным управлением (TCSC) или последовательно включенных реакто-ров с тиристорным управлением (TCSR); или при параллельном подключении, на-пример, при использовании статических компенсаторов реактивной мощности (SVC) или статических синхронных ком-пенсаторов (STATCOM). Эти устройства оптимизируют передачу мощности и ста-билизируют напряжение посредством компенсации реактивной мощности с ис-пользованием силовых электронных устройств.

TCSC и TCSRТиристоры могут использоваться для автоматического подключения конденсаторов с помощью TCSC или реакторов с помощью TCSR, чтобы стабилизировать напряжение. TCSC особенно полезны для стабилизации напряжения при соединении сетей электропередачи. Они использовались для соединения северной и южной сетей электропередачи Бразилии. С весны 1999 г. компания Eletronorte из Бразилии использует поставленную АББ систему TCSC и пять батарей статических конденсаторов (SC) для соединительной линии Eletronorte на 500 кВ между северной и южной сетями электропередачи рис. 9.АББ установила приблизительно 1100 Мвар последовательно включенных кон-денсаторов, что обеспечило стабиль-ность обеих соединенных сетей электро-передачи.

SVCПри использовании систем HVDC Classic и UHVDC, устройства SVC устанавливают

Увеличение мощности для использования электромобилей и управление растущим спросом еще больше усложнят энергосисте-му, создавая стимулы для разработки более интеллектуальных, гиб-ких и надежных сетей.

9 Система TCSC в Императрис, Бразилия 8 Батарея конденсаторов

10 Оборудование системы SVC Light



и SVC Light и ряда других применений с целью управления переключением полу-проводниковых приборов с очень больши-ми частотами, а также для точного регули-рования напряжения и мощности.

Современные условия требуют все более совершенные сети электропередачи для обеспечения стабильной и надежной до-ставки требуемой мощности, несмотря на нерегулярный характер возобновляемых источников энергии, например, ветра, солнца, волн и приливов. С целью соблю-дения новых требований к сетям электро-передачи, в новых и существующих сетях все чаще применяются новаторские устройства силовой электроники с более высокими рабочими характеристиками.

Рабочие характеристики систем HVDC Classic и HVDC Light быстро улучшались в течение последних 10 лет рис. 12. Рас-ширение применения технологий полу-проводников будет продолжаться и в будущем по мере того, как будут стано-виться реальностью такие передовые проекты, как Desertec и сети передачи постоянного тока.

Клаес Ритофт

АВВ Power Systems, Цюрих, Швейцария

claes.rytoft@ch.АББ.com

Питер Лундберг

АВВ Grid Systems, Вестерос, Швеция

peter.lundberg@se.АББ.com

Хармит Бава

АВВ Power Products and Power Systems

Цюрих, Швейцария

Марк Куртис

АВВ Corporate Communications

Цюрих, Швейцария

mark.curtis@ch.АББ.com

обрабатывать большие мощности, позво-ляет применять системы SVC Light для регулирования динамически изменяю-щейся реактивной мощности в сети в пре-делах от десятков мегавольт-ампер (МВА) до значений превышающих 100 МВА.

SVC Light с накоплением энергииВсе более широкое использование возоб-новляемой энергии приводит к определен-ной нестабильности сетей. С целью повы-шения стабильности и надежности АББ представила последнее расширение се-рии FACTS, систему SVC Light® с накопле-нием энергии рис. 11. Это система дина-мического накопления энергии с использованием литий-ионных аккумуля-торов, которая не только может вводить реактивную мощность, как обычная си-стема SVC Light, но и может добавлять ак-тивную мощность, что создает альтерна-тиву передаче и распределению мощности для обеспечения пиковых нагрузок.В настоящее время типичная номинальная мощность и емкость накопления находят-ся в диапазоне 20 МВт для периодов вре-мени приблизительно от 15 до 45 минут, но данная технология может масштабиро-ваться до мощности 50 МВт продолжи-тельностью 60 минут и более.

Система управления MACH2™Использование технологий силовой элек-троники для сетей электропередачи пре-доставляет возможности эффективно управлять величиной и направлением пе-редачи мощности. С целью максимизации и защиты рабочих характеристик были разработаны средства управления, кон-троля и анализа работы высоковольтных систем постоянного тока. Система MACH2™ компании АББ представляет со-бой высокоэффективную систему управ-ления и защиты для оборудования HVDC. В настоящее время она используется для традиционных систем HVDC, систем SVC

11 SVC Light с накоплением энергии

Система SVC Light с накоплением энергии позволяет независимо регулировать как актив-ную, так и реактивную мощность в сети.

12 Увеличение пропускной способности систем электропередачи в последние годы

HVDC ClassicПропускная способность, МВт

Пропускная способность, МВт

1970 1990 2010 2000 2010

6,000

4,000

2,000

1,000

800

400 3

1

800

600

200

HVDC Light

Год Год

Значительные инновации

Пропускная способность увеличилась в 10 раз по сравнению с 2000 г.

По сравнению с 2000 г. потери для одного преобразователя снизились с 3% до 1%

Пропускная способность увеличилась в 6 раз по сравнению с 2000 г.

По сравнению с 1970 г. напряжение повысилось на 100 кВ, до 800 кВ

Потери, %

Потери

Напряжение, В

Напряжение

Про

пуск

ная

спос

обно

сть

Пропускн

ая

способность

STATCOMВ дополнение к системе HVDC Light, кото-рая использует устройства IGBT для полу-чения функций VSC с целью быстрого вво-да или поглощения реактивной мощности, система SVC Light® использует IGBT ана-логичным образом. Система SVC Light представляет собой статический синхрон-ный компенсатор (STATCOM), функции ко-торого аналогичны функциям тиристор-ных устройств SVC, но который основан на использовании VSC. Полупроводнико-вые приборы IGBT для системы SVC Light установлены в модулях Stak-Pak и после-довательно соединены для получения тре-буемого напряжения рис. 10. Обеспечи-ваемая IGBT более высокая степень управляемости позволяет получать более высокое качество электроэнергии благо-даря снижению колебаний напряжения, вызываемых использованием потребите-лями электродуговых печей. Такие печи интенсивно потребляют не только актив-ную, но и реактивную мощность. С целью компенсации быстроизменяющегося по-требления реактивной мощности печами требуется столь же быстродействующее устройство компенсации. Такое высокое быстродействие обеспечивается совре-менной технологией IGBT. Появление та-ких плавно регулируемых полупроводни-ковых устройств, способных

27Интеллектуальное управление электродвигателями

ПЕТЕР О. МЮЛЛЕР, АБХИCЕК УКИЛ, АНДРЕА АНДЕННА – На

крупных промышленных предприятиях, где для обеспечения

необходимых перемещений в эксплуатации могут находиться

несколько тысяч электродвигателей, любые внеплановые или

неожиданные отключения способны привести к нарушениям

техпроцесса, которые повлекут за собой значительные

расходы. По этой причине, важное значение приобретают

факторы управления и защиты электродвигателей для

обеспечения управляемого и надежного производственного

цикла. Некоторые существующие фидеры электродвигателей

часто выполнены на дискретных элементах с применением,

например, тепловой защиты электродвигателя на основе

биметаллического реле. В такой системе реализация функций

защиты и управления является громоздкой и сложной

задачей: функции управления и блокировки необходимо

запрограммировать в контроллере процесса, а обмен сигна-

лов управления и обратной связи должен осуществляться

через модули входа и выхода, которые следует спроектиро-

вать и подключить. Дополнительные защитные функции, такие

как контроль температуры обмотки электродвигателя с

помощью термистора, требуют применения дополнительных

устройств и электромонтажа. Эти и многие другие функции

теперь интегрированы в одно единственное устройство,

интеллектуальный универсальный контроллер электродвига-

теля UMC100. Этот контроллер, который иногда называют

интеллектуальным модулем управления электродвигателя,

обеспечивает управление электродвигателем, его защиту,

связь по полевой шине с системой управления и функции

диагностики. По сравнению с традиционными фидерами

электродвигателей контроллеры электродвигателей предлага-

ют много преимуществ на протяжении всего жизненного

цикла промышленной установки.

Контроллер UMC100 является хорошим примером гибкого, модульного и масштабируемого контроллера электродвигателя

Интеллектуальное управление электродвигателями


вать все данные измерений посредством интерактивного соединения с контролле-ром. На рис. 1 показана диалоговая па-нель менеджера DTM для настройки пара-метров защиты на основе измерения тока электродвигателя.

Все необходимые на практике функции управления уже интегрированы в контрол-лер UMC100, предусмотрена также воз-можность простой настройки функций по-средством параметров. Функции управления обеспечивают гибкую адапта-цию к различным требованиям заказчика и позволяют выполнять настройку в широ-ком диапазоне. Благодаря этому система управления значительно упрощается тех-нически, поскольку функции управления полностью реализованы в контроллере электродвигателя. С помощью свободно программируемой логики можно реализо-вать функции управления для конкретного

ном устройстве функции защиты и управ-ления электродвигателя, а также функции диагностики и связи по полевой шине.

Контроллер UMC100 работает совершен-но автономно и обеспечивает постоянную защиту электродвигателя, даже в случае отказа системы управления или шины. Электронная система измерения высокой точности позволяет эксплуатировать электродвигатель самым оптимальным образом и гарантирует надежное расце-пление.

Удобная конфигурация параметров осу-ществляется через стандартные файлы описания устройства (например, GSD/EDS), панель управления или менеджер типов устройств (DTM). Менеджер DTM позволяет группировать сопряженные па-раметры, отображать на графическом дисплее отработку параметров и считы-

И зменение глобальных рынков является одной из причин того, что многие компании вынужде-ны снижать свои эксплуатаци-

онные и производственные расходы, по-вышая при этом производительность и качество. Энергоэффективность – это еще один фактор, в улучшении которого особенно заинтересованы производители. Действительно, сейчас наблюдается по-вышенный спрос на модульные, гибкие и комплексные решения. Это в свою оче-редь заставляет многих производителей такого оборудования внимательно рас-смотреть номенклатуру своей продукции и искать пути ее расширения в ответ на возросший спрос.

Все шире применяются комплексные ре-шения, что отчасти объясняется прогрес-сом в технологии, облегчающим реализа-цию таких решений, а также тем, что эти решения в целом работают более эффек-тивно, чем сумма отдельных, составляю-щих их элементов. Кроме того, анализ тен-денций показывает, что данный фактор будет играть решающую роль в успехе компании.

Учитывая тенденцию к интеграции устройств, АББ в течение определенного времени занимается расширением ассор-тимента изделий, и результат такого под-хода можно увидеть на примере одного устройства, а именно интеллектуального контроллера электродвигателя UMC100.

UMC100 – описаниеЭтот универсальный контроллер электро-двигателя (UMC), также известный как ин-теллектуальный модуль управления элек-тродвигателем, предназначен для 3-фазных асинхронных электродвигате-лей переменного тока и объединяет в од-

Модели электродвигателей

Для каждого интеллектуального контроллера электродвигателя требуется определенная модель электродвигателя. В модели осуществляется оценка температуры электродвигателя в динамике по времени для генерирования сигнала на расцепление и отключение двигателя при превышении заданного предельного значения. Выбор модели электродвигателя является важным шагом в процессе проектирования контрол-лера электродвигателя, который влияет на реализацию основной функции устройства. При этом принимается главное компромисс-ное решение: с одной стороны, модель должна быть как можно более простой. Сложная модель электродвигателя может не подойти к электронной платформе контрол-лера и иметь слишком много параметров, которые заказчику трудно определить и задать. С другой стороны, для эффективной защиты электродвигателя требуется точное определение его температуры.

Минимальные требования к моделям электро-двигателей приведены в Стандарте IEC 60947-4-1 [1], который определяет минималь-ное и максимальное время срабатывания расцепителя для различных типоразмеров электродвигателя (классы расцепителя) и значений тока электродвигателя. Например, стандарт предписывает, чтобы реле перегрузки или контроллер электродвигателя, защищающие электродвигатель с классом расцепителя 20, при превышении номиналь-ного значения тока в 7,2 раза отключали двигатель за время от 6 до 20 секунд.

Соблюдение этого стандарта является минимальным требованием, предъявляемым к интеллектуальному контроллеру электро-двигателя. Чрезмерно упрощенная модель электродвигателя может не зафиксировать динамику температуры достаточно точно и, в худшем случае, расцепитель может не сработать, когда реальная температура будет

слишком высокой. Например, на температуру обмотки электродвигателя прямое влияние оказывает ток статора вследствие эффекта Джоуля и косвенное влияние - теплопрово-дность других частей электродвигателя. В надежной модели электродвигателя (модель A) необходимо учитывать оба эффекта, а в более простой модели (модель B) может учитываться только доминирующий первый эффект. На прилагаемом графике показаны результирующие графики для этих двух моделей, демонстрирующие работу электродвигателя в условиях перегрузки в течение определенного времени до момента отключения и повторной нагрузки до номинального уровня. Температурные характеристики этих двух моделей (синяя кривая для модели A, красная - для модели B) отображают конечную стадию (нагрузка до номинального уровня). В данном случае эффект теплопроводности имеет значение, поскольку электродвигатель был перегружен незадолго до этого момента, а температура обмотки может временно возрасти до величины, превышающей номинальное значение, как показывает результирующая кривая модели A. Следовательно, в данном случае оптимальную защиту электродвигате-ля обеспечит более сложная модель, а именно модель A.

Различные модели электродвигателя

Время (мин.)

60 70 80 90 100

104

102

100

98

96

94Тем

пер

атур

а (%

ном

инал

ьной

)Модель A

Модель B

29

измерения тока, не возникает. В общем, число типовых свойств, которые должен внедрить разработчик, может быть сокра-щено, что упрощает планирование, мате-риально-техническое обеспечение и об-служивание.

ДиагностикаКак правило, неисправность электродви-гателя приводит к останову техпроцесса, что в свою очередь существенно влияет на общие эксплуатационные расходы и за-траты на техобслуживание. Нередко для определения причины неисправности диа-гностическая информация используется уже после того, как неисправность прои-зошла. Поэтому четкая и полная диагно-стика асинхронных электродвигателей в условиях эксплуатации имеет первосте-пенное значение для предотвращения не-исправностей и их быстрого устранения в случае появления.

Контроллеры электродвигателя часто ин-тегрированы в распределенную систему управления DCS. Для эксплуатации в раз-личных регионах мира должна обеспечи-ваться поддержка различных полевых шин. Контроллер UMC100 поддерживает протоколы Profibus DP, DeviceNet, Modbus и CANopen, но также возможна автоном-ная работа без полевой шины.

Контроллер UMC100 работает со всем диапазоном токов от 0,24 до 850 A. Только для токов выше 63 A требуется дополни-тельный внешний трансформатор тока, который в большей степени действует в качестве предварительного делителя. И даже в случае небольших номинальных токов провода электродвигателя должны проходить через трансформаторы тока только раз. Разработчикам не приходится выбирать разные типы устройств в соот-ветствии с номинальным током электро-двигателя. Проблем, вызванных неблаго-приятным перекрыванием диапазонов

применения. При необходимости повтор-но использовать существующие модули управления электродвигателя в распреде-ленной системе управления (DCS), поло-жение сигналов управления и контроля может быть адаптировано к текущей ситу-ации. Это особенно выгодно при модерни-зации старых установок.

Поддерживаются четыре различные точ-ки управления (шина, «на двигателе», дверь шкафа, портативный компьютер для обслуживания), рис. 2. В каждой точ-ке управления можно активировать или

отключить управление электродвигателя, в зависимости от текущего режима (авто-матический или местный). Базовое устройство оснащено шестью цифровы-ми входами, тремя релейными выходами и коммутируемым выходом 24 В. Для бо-лее сложных применений с большим ко-личеством входов/выходов или специаль-ных сигналов предлагаются модули расширения.

1 Настройка параметров защиты с помощью менеджера DTM контроллера UMC100

2 Редактор для функций управления, задаваемых пользователем

3 Источники отказов асинхронных электродвигателей

Электрические

Неисправный статорПовреждение изоляцииДиэлектрикПроводникСтержни ротораНарушение центровкиНеисправный подшипникВибрация станиныЭксцентриситет воздушного зазора

ПерегрузкаПульсирующая нагрузка

Неправильный монтажНеустойчивое основание

НебалансПоследовательность фазВыпадение фазыКолебание напряженияЭлектромонтажКЗ на землю

Температура окружающей средыВысота над уровнем моряЧистотаВлажность

Механические

Механические

Техпроцесс

Установка

Питание

Собы-тия

Электри- ческие

Другие

Внутренние источники

Внешние источники

-

-

-

-

-

-

Причины отказов

-

- --

-

Этот универсальный контроллер электро-двигателя (UMC), предназначенный для 3-фазных асинхрон-ных электродвигате-лей переменного тока, объединяет функции защиты и управления электро-двигателя в одном блоке.



двигателей. Доступ к функциям диагностики контроллера UMC100 обе-спечивается через ЖК-панель управле-ния, портативный компьютер для техоб-служивания или шину. В случае неисправности электродвигателя очень важно провести быструю и комплексную диагностику. Практический опыт показы-вает, что хотя портативный компьютер ча-сто имеется в наличии, он не всегда готов к немедленному использованию. Поэтому в контроллере UMC100 предложена мно-гоязычная полная графическая ЖК-панель управления, закрепленная на дверце шкафа, на которой отображаются все данные и параметры состояния про-стым и понятным образом, см. рис. 4. Со-общения об ошибках отображаются от-крытым текстом, предусмотрена также возможность формирования специфиче-ских для данной установки текстов сооб-щений для свободно настраиваемых вхо-дов неисправностей. Таким образом, для поиска неисправностей портативный ком-пьютер не требуется!

Выгоды профилактического техобслуживанияВ сочетании с системами управления АББ, система Asset Monitor контроллера UMC100 помогает быстро определить, на-ходится ли неисправность в самом кон-троллере, во внешней электрической цепи или в подключенном оборудовании. С этой целью Asset Monitor собирает все данные диагностики, предоставляемые контроллером UMC100 с настраиваемой периодичностью и регистрирует их по сле-дующим категориям, как определено в ре-комендациях NAMUR NE107:– неисправность – электродвигатель не го-

тов к работе из-за функционального на-рушения в полевом устройстве или его периферии (например, тепловой расце-питель);

– функциональная проверка – выходной сигнал временно недействительный по причине выполнения работ на фидере электродвигателя (например, тестиро-вание при вводе в эксплуатацию);

– за пределами технических характери-стик – хотя фидер электродвигателя еще готов к работе, но его параметры находятся за пределами заданных огра-ничений (например, ток электродвигате-ля выше/ниже заданного предельного значения);

– необходимость техобслуживания – хотя фидер еще готов к работе, однако, ука-зывает на немедленную необходимость техобслуживания (например, обрыв провода датчика PTC).

Неисправности асинхронных электродви-гателей могут быть различного типа, обу-словленные внешними и/или внутренними источниками, с разными электрическими и механическими причинами, см. рис. 3. В настоящее время в промышленности при-меняется диагностика неисправностей асинхронных электродвигателей (особен-но проблем, связанных с внутренними причинами) с помощью анализа характе-ристик тока электродвигателя (MCSA) [2, 3]. Однако по причинам стоимости эта ди-агностика используется главным образом для крупногабаритных электродвигателей и современных систем диагностики/ дви-гателей/приводов, более сложных и доро-гих. Другие проблемы, такие как неис-правности подшипников, тоже представляют интерес. Но эти проблемы могут не оказывать интенсивного прямого воздействия на электрическую цепь асин-хронного двигателя и, следовательно, их обнаружение при использовании анализа MCSA может представлять трудность.Поэтому более эффективными могут ока-заться другие типы диагностики, а именно анализ вибрации. Вместо того чтобы кон-фигурировать различные диагностиче-ские системы для контроля всех возмож-ных аспектов неисправностей, идеальным решением было бы применение сравни-тельно дешевого контроллера электро-двигателя со стандартными функциями защиты и диагностики, а также с интерак-тивными функциями диагностики электро-двигателя.Именно таким контроллером является контроллер UMC100, в котором реализо-ваны широкие возможности тестирования и анализа, такие как непрерывный счет часов работы двигателя, счет пусков и вы-ключений при перегрузке, регистрация диагностических данных, определение времени пуска двигателя и максимального пускового тока и т. д. Все данные доступ-ны через полевую шину и могут использо-ваться для планирования операций техоб-служивания. Например, увеличение времени пуска способна указывать на за-медленную реакцию подключенной на-грузки. Кроме того, информация о модели электродвигателя может быть использо-вана в помощь для оператора в процессе эксплуатации установки. Например, если тепловая нагрузка электродвигателя пре-вышает заданное предельное значение, оператор может уменьшить подачу мате-риала в мешалку во избежание аварийно-го отключения.Современные средства диагностики явля-ются одним из главных преимуществ ин-теллектуальных контроллеров электро-

Контроллер UMC100 – это большой шаг впе-ред к стратегии профи-лактического техобслу-живания, для реализации которой до недавних пор требова-лось применение доро-гостоящих специализи-рованных средств.

4 Панель управления позволяет отображать все данные на месте

31

бельном отсеке и обменивается данными со своим контроллером в выдвижной сек-ции. Линия шины имеет линейную тополо-гию и не имеет ответвлений, что также выгодно для надежной эксплуатации. При снятии секции не теряется адрес узла, и если секции случайно перепутаны, это бу-дет обнаружено автоматически!

Отличное решениеОсуществляя непрерывную передачу большого объема данных по эксплуата-ции, обслуживанию и диагностике от элек-тродвигателя в систему управления, кон-троллер UMC100 позволяет обнаружить неполадки на раннем этапе и принять со-ответствующие меры по их предотвраще-нию или по меньшей мере ограничить их последствия. Современная ЖК-панель управления в удобной форме отображает все эксплуатационные данные и данные по техобслуживанию и поддерживает функцию быстрого выявления неисправ-ностей без необходимости использования портативного компьютера. Модульная структура контроллера предоставляет преимущества уже на этапе планирования и проектирования. А время и объем работ по электромонтажу значительно сокраща-ются благодаря тому, что все необходи-мые функции защиты, контроля и управле-ния интегрированы в одно устройство.По сравнению с традиционной технологией, контроллер UMC100 является отличным решением для реализации фидеров электродвигателей в промышленных установках, а также обеспечивает много преимуществ на протяжении жизненного цикла установки.

Петер О. Мюллер

ABB STOTZ-KONTAKT GmbH, Heidelberg, Germany

[email protected]

Абхисек Укил, Андреа Анденна

ABB Corporate Research, Baden-Dättwil, Switzerland

[email protected]

[email protected]

Литература[1] IEC-60947-4-1 International Standard. Contactors

and motor starters – Electro mechanical contactors and motor starters. Ed. 3.0 (9/2009).

[2] Benbouzid, M. E. H. (2000). A Review of Induction Motors Signature Analysis as a Medium for Faults Detection. IEEE Transactions Industrial Electron-ics, vol. 47, no. 5, pp. 984–993.

[3] Thomson W. T., Fenger M. (July/August 2001). Current signature analysis to detect induction motor faults. IEEE Industry Applications Magazine, pp. 26–34.

и минимизации простоев. Все данные, от-носящиеся к техобслуживанию, доступны через полевую шину, т.е. эта информация, при необходимости, может быть передана также на уже существующие средства управления техобслуживанием.

В общем, контроллер UMC100 позволяет сделать большой шаг вперед к стратегии профилактического техобслуживания, для реализации которой до недавних пор тре-бовалось применение дорогостоящих специализированных средств и которая теперь становится экономически эффек-тивной для многих областей применения.

Простая установка в предельно ограниченном пространствеБлагодаря компактной конструкции и ин-тегрированной системе измерений, кон-троллеры электродвигателей можно уста-новить даже в предельно ограниченном пространстве.Это является существенным преимуще-ством, особенно для устройств с выкатны-ми низковольтными распределительными устройствами с ограниченным простран-ством или в случае модернизации суще-ствующих систем для установки совре-менной системы управления электродвигателем, см. рис. 5. В таких установках невыгодно интегрировать узел полевой шины непосредственно в кон-троллер электродвигателя, так как для каждого отдельного устройства потребу-ется ответвление. Это часто вызывает проблемы нестабильности полевой шины. В результате, возникает необходимость снижения скорости передачи данных, что в свою очередь приводит к увеличению продолжительности цикла.Лучшим решением является разделение узла шины и контроллера электродвигате-ля. Отдельный узел шины остается в ка-

Эти сообщения помогают оператору пред-принять соответствующие действия на конкретной установке, и при этом он не перегружен излишними подробностями состояния устройства.

Персонал по техобслуживанию, с другой стороны, может легко увидеть все имею-щиеся подробности на ЖК-панели кон-троллера или посредством менеджера DTM через шину связи, например, для по-лучения конкретных указаний к действию по установке и контролеру. Описанные функции контроля и отчетности состояния могут использоваться для сбора, объеди-нения, анализа и сравнения этой инфор-мации с данными за предыдущий период эксплуатации, например, для просмотра динамики изменения пускового времени. Кроме того, проще получить предупреж-дения о начальной стадии износа устройств и компонентов и их возможного отказа и передать их в понятном форме персоналу по техобслуживанию. Благода-ря этому обеспечивается оптимальное планирование операций техобслуживания

5 При использовании в устройствах с выдвижными секциями в центрах управления электродвигателями контроллер UMC100-FBP располагается в выдвижной секции, а соединение с полевой шиной установлено снаружи

Канал последовательной связи в секцию

Контроллер UMC100

От предыдущего адаптера FieldBusPlug

Адаптер FieldBusPlug (например, для PROFIBUS)

К следующему адаптеру FieldBusPlug

Кабельная камера

Поскольку все необ-ходимые функции защиты, контроля и управления интегри-рованы в одно устройство, значи-тельно сокращается время и объем ра-бот, требующиеся для электромонтажа.



ХУАН ЗАГАРДИ, ЙЕСПЕР КРИСТЕНССОН, СЕРЕН КЛИНГ, ЙОХАН РИС – в системах

обработки воды центробежные насосы приводятся в действие асинхронным

электродвигателем с питанием непосредственно от сети. Регулирование расхода

осуществляется несколькими различными средствами, а именно: дросселирование –

очень неэффективный метод, поскольку гидравлические потери значительно

повышаются при дросселировании потока посредством клапана; частотно-

регулируемые приводы, рекомендуемые в качестве эффективного средства

экономии энергии, которые обеспечивают регулирование расхода посредством

управления частотой вращения вала электродвигателя; и в качестве альтернативного

метода - включение и выключение насоса согласно точному циклу нагрузки – насос

не работает непрерывно, а включается на время, необходимое для подачи заданного

объема воды и отключается на остальное время. Если учесть, что во многих

гидравлических системах рекомендуется использование преобразователей частоты

или циклического управления (т.е. технологий плавного пуска), то какое же из этих

двух решений является наиболее экономичным для снижения энергопотребления и

обеспечивает самый оптимальный период окупаемости?

Устройства плавного пуска или частотно-регулируемые приводы, или оба варианта?

Анализ технических решений Last

33Анализ технических решений Last


ний) обычно собирается в отстойниках или резервуарах для сточных вод до момента подачи с помощью насосов на муници-пальные водоочистные станции [1]. С уче-том наличия нескольких событий пуска, использование устройств плавного пуска значительно снижает риск засорения на-сосов шламом, содержащимся в воде, см. рис. 2. В общем, циклическое управление является привлекательной альтернативой частотно-регулируемому приводу, несмо-тря на утрату гибкости при регулировании расхода. Иначе говоря, устройство плав-ного пуска считается подходящей и конку-рентоспособной технологией, предохра-няющей асинхронный электродвигатель от электрических нагрузок, механических

Э нергоэффективность – это тот аспект, который важен для за-казчиков изделий и систем и который производители стре-

мятся оптимальным образом реализовать в своих предложениях. В самом деле, об-щий анализ показывает, что инвестиции, связанные с приобретением электрообо-рудования, а также затраты, вызванные остановом производства для монтажа и ввода оборудования в эксплуатацию, ком-пенсируются снижением потребления электроэнергии благодаря энергоэффек-тивной эксплуатации.

Фактор энергоэффективности безусловно занимает одно из первых мест в политике АББ, и компания вложила много времени, ноу-хау и ресурсов в разработку лидирую-щих на рынке решений для низковольтно-го оборудования – в виде преобразовате-лей частоты и устройств плавного пуска1, – которые являются особенно подходящи-ми для максимальной экономии энергии для насосных установок предприятий во-доподготовки и водоочистки.

Так как метод дросселирования очень не-эффективен, какое же из двух техниче-ских решений, частотно-регулируемые приводы или циклическое управление, яв-ляется самым экономичным методом сни-жения потребления энергии, см. рис. 1? По существу, характер гидравлической системы, в которой используется центро-бежный насос, является определяющим фактором при выборе одного или другого метода управления.В сфере обработки сточных вод, напри-мер, включение/выключение центробеж-ных насосов, как правило, выполняется под контролем системы управления тех-процессом. Остаточная вода (т. е. посту-пление из жилых или коммерческих зда-

Номенклатура

Hbep [m]: гидравлический напор в точке оптимального КПД центробежного насоса;Qbep [m

3/s]: производительность в точке оптимального КПД насоса;Hst [m]: полная высота всасывания. Определяется как расстояние по вертикали, на

которое насос должен поднимать воду. При подаче из скважины, это расстояние от уровня откачиваемой воды в скважине до поверхности грунта плюс расстояние по вертикали, на которое осуществляется подъем воды от поверхности грунта до точки выпуска. При откачке с открытой водной поверхности, это общее расстояние по вертикали от поверхности воды до точки выпуска;

Qop [m3/s]: производительность в расчетном режиме системы. На практике, определяется

для периодических пиков расхода (т. е. около 5 % времени на станциях водоподготовки);

Hop [m]: гидравлический напор в расчетном режиме системы; Hop,id [m]: гидравлический напор в расчетном режиме в идеальной системе;Ht [m]: гидравлический напор, связанный с общей типовой производительностью Q

[м3/с] в системе регулирования расхода с фиксированной частотой вращения и с дросселем;

Hd [m]: гидравлический напор, связанный с общей типовой производительностью Q [м3/с] в системе регулирования расхода с переменной частотой вращения;

Hmax [m]: максимальная высота подъема жидкости данным насосом;Qmax [m

3/s]: максимальная производительность данного насоса.

Сноска1 Путем уменьшения приложенного напряжения

устройство плавного пуска обеспечивает плавный пуск электродвигателей переменного тока. Во время останова насоса гидравличе-ский удар в системе не допускается благодаря управляемому понижению крутящего момента с помощью специального алгоритма, предусмотренного в устройстве плавного пуска.

1 Иллюстрация системы с методами регулирования расхода посредством дросселиро-вания, циклического управления и с помощью частотно-регулируемого привода

Цикл включения-выключения

Циклическое управление

Управление дроссельным клапаном

Управление с частотным регулированием

Характеристика производительности c динамикой по времени

Устройство плавного пуска PSE/PST

Включение

Расход

t_вкл = 75% t_общееt_выкл = 25% t_общее

РасходРасход Расход

0.75 1.0 0.75 1.0

Нап

ор

Нап

ор

Нап

ор

Нап

ор

(Hop, Qop) (Hop, Qop)(Hop, Qop)

(Ht, Q) (Ht, Q)Выключение

Регулирование расхода до 75% расчетной производительности QOP (м3/ч)

Асинхронный электродвигатель

Асинхронный электродвигатель

Частотное регулирование

Центробежный насос



Привод

Ручное управление

U = 415В U = 415В

Управление техпроцессом

2 Компактное устройство плавного пуска серии PSE АББ используется в основном для управления насосными установками

Контактор

Асинхронный электро- двигатель

U = 415В

35

3a Выбор насоса для промышленной установки

Это положение иллюстрировано на рис. 3b для двух центробежных насосов Aurora с номинальной мощностью 90 кВт и 350 кВт, соответственно, см. рис. 4 [2].

Для анализа потенциального энергосбе-режения в этих насосах рассматривались три различные гидравлические системы: с преобладанием напора на преодоление трения, т. е. отношение (υ) статического напора Hst [м] к максимальной гидравличе-ской высоте Hmax [м] составляет 5%; с пре-обладанием статического напора (υ со-ставляет 50%); и с комбинированным напором (υ составляет 25%), см. рис. 5.

Характеристики преобразователя, устройства плавного пуска и электро-двигателяПреобразователи частоты имеют высокий КПД (ηconv), который естественным обра-зом уменьшается, когда происходит сни-жение выходной мощности по отношению

ударов и вибрации при пуске и не допу-скающей гидравлических ударов в насосе при останове. Кроме того, электродвига-тель используется в точке оптимального КПД и выключается на остальное время.

В следующих разделах приводится анализ энергосбережения и окупаемости реше-ний управления с частотным регулирова-нием и циклического управления для двух центробежных насосов (90 кВт и 350 кВт).

Типовая насосная системаПри сборке насосной системы должен быть гарантирован заданный расход Qop [м3/ч]. В идеальной системе выбранный насос имеет характеристику Qbep [м

3/ч], со-впадающую с характеристикой Qop [м3/ч]. В реальности, однако, выбирается насос большего типоразмера, см. рис. 3a. В ре-зультате насос работает со сниженным гидравлическим КПД в большей части ди-апазона производительности.

3b Уменьшение гидравлического КПД в насосах 90 кВт и 350 кВт вследствие превышения номинального типоразмера на 15%

Компания АББ вложила много времени, ноу-хау и ресурсов в разработку лидирующих на рынке решений для низко-вольтного оборудования, которые являются осо-бенно подходящими для максимальной эко-номии энергии в случае насосов предприятий водоснабжения и водоочистных станций.

4 Характеристические данные двух анализируемых насосов

Изготовитель Мощность (кВт) Hmax (m) Hbep (m) Qbep (m3/h) ηmax (%)

Aurora 90 43.6 27.6 575 74.8

Aurora 350 52.7 33.8 2,500 84.5

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

9085807570656055504540353025201510

50

Hmax

Hop

Hbep

Hop,id

Hst

Гидр

авли

ческ

ий К

ПД

(%)

Высота (м)

Производительность (м3/ч)Qop Qbep Qmax

Q/Qop (безразм.)

Идеальная_350 кВт

Реальная_350 кВт

Идеальная_90 кВт

Реальная_90 кВт

Идеальный насос (Qop = Qbep)

Гидравлическая нагрузка (идеальная система)

Имеющийся коммерческий насос (Qop < Qbep)

Гидравлическая нагрузка (реальная система)

6 Изменение электрического КПД (%) в цепи силовой электроники (устройство плавного пуска и преобразователь) с гидравлической нагрузкой

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 0.55 0.6 0.65 0.7 0.75 0.8 0.85 0.9 0.95 1

100

99

98

97

96

95

94

93

92

91

90

89

88

КП

Д,

соот

ветс

твую

щий

топ

олог

ии

сило

вой

элек

трон

ики

(%)


Преобразователь (90 кВт)

Преобразователь (350 кВт)

Устройство плавного пуска (1 пуск в час)

Устройство плавного пуска (2 пуска в час)

Устройство плавного пуска (3 пуска в час)

5 Гидравлические системы, выбранные для анализа потенциала энергосбережения

Hmax

Hop

Hmax

Hop

Qop Qop

Hst

Hst

Hst = 5% Hmax Hst = 25% Hmax

Высота (м) Высота (м)

Производи-тельность (м3/ч)



Кривая насоса

Кривая гидравлической системы

Hmax

Hop

Qop

Hst = 50% Hmax

Высота (м)

a Преобладает напор для преодоления тренияb Преобладает комбинированный напорc Преобладает статический напор

a b

c



пора (υ = 50%) циклическое управление является лучшим техническим решением по сравнению с частотно-регулируемым приводом для всех точек работы, в то вре-мя как для системы 350 кВт такой привод обеспечивает чуть более высокую эконо-мию энергии, но только в диапазоне от 75 до 92% производительности насоса. При рассмотрении комбинированной гидравли-ческой системы (υ = 25%), управление по-средством частотно-регулируемого приво-да обеспечивает более высокую эффективность только для насосов с про-изводительностью выше 28% (для системы 90 кВт) и 24% (для системы 350 кВт). Дей-ствительно, самая высокая эффективность от управления посредством частотно-регу-лируемого привода наблюдается в диапа-зоне производительности от 15 до 20%.

В отличие от преобразователей частоты (характеризуются потерями полупрово-дника при номинальной нагрузке), устрой-ства плавного пуска работают в случае байпаса при номинальной нагрузке, см. рис. 9c. Таким образом, нет дополнитель-ных потерь в тиристорах. Эксплуатацион-ные условия и состояние системы, когда для регулирования расхода насоса пред-почтительным является либо циклическое управление, либо управление посред-ством частотно-регулируемого привода, показаны на рис. 102.

Окупаемость инвестицийЗаказчики обязательно захотят узнать, когда они смогут ожидать окупаемости своих инвестиций, в которые входят до-полнительные расходы в связи с простоем

но на рис. 9a и 9b, соответственно. В си-стемах с преобладанием напора для преодоления трения (υ=5%) управление посредством частотно-регулируемого привода обеспечивает более высокую экономию энергии почти во всем рабочем

диапазоне (от 7 до 98%) в обоих насосных системах. В случае насоса 90 кВт и в си-стеме с преобладанием статического на-

к номинальному значению. При активации байпаса электродвигателя эффектив-ность устройств плавного пуска составля-ет практически 100%.Их эффективность заметно снижается с увеличением количества пусков в час и сокращением интервалов рабочего вре-мени, что обусловлено дополнительными потерями Джоуля при пуске и останове электродвигателя, см. рис. 6.Сейчас более строгие стандарты (классы IEC) гарантируют высокий КПД электро-двигателя – в целом, выше 90% – для на-грузок [3, 4], см. рис. 7a и 7b. На этот КПД (в строгой зависимости от класса) влияет использование либо преобразователя ча-стоты, либо устройства плавного пуска: он снижается при питании от быстродейству-ющего преобразователя из-за гармониче-ского тока и искажения напряжения, но не изменяется в случае байпаса электродви-гателя после плавного пуска благодаря чисто синусоидальной форме питания.Влияние большего типоразмера системы, класса электродвигателя и потерь от гар-моник (регулирование привода) в реаль-ной системе указано на рис. 8.

Экономия энергииЭнергосбережение, полученное при ис-пользовании частотно-регулируемого привода и циклического управления в на-сосных системах 90 кВт и 350 кВт, показа-

Общие начальные инве-стиции в связи с реали-зацией решений управ-ления посредством частотно-регулируемого привода и циклического управления рассчи- тываются как сумма стоимости привода или устройства плавного пуска и процентной доли на производствен-ные простои от расхо-дов на жизненный цикл системы.

8 Влияние большего типоразмера системы, класса электродвигателя и потерь от гармо-ник на потребление электроэнергии (Pn =90 кВт – частота коммутации 4 кГц)

Нагрузка (%)

Снижение КПД (%), вызванное: 5% 25% 50% 75% 100%

1 – насосом большего типоразмера (на 15%) -1.3 -3.8 -6.0 -4.5 -2.1

2 – электродвигателем увеличенного -3.2 -1.2 -0.4 -3.0 0.2 типоразмера (на 15%)

3 – классом электродвигателя (КПД 3) -9.5 -3.4 -3.0 -3.0 -3.0

4 – потерями от гармоник -7.0 -2.1 -2.4 -1.9 -1.3

Увеличение потребления энергии (%) 26.5 11.7 13.3 10.3 6.6

Сноска2 При переводе экономии энергии в процентах

(с отношении фиксированной скорости и дросселирования) в показатель экономиче-ской эффективности предполагается, что насос работает 8760 часов в год (330 x 24) при цене 0,065 долл. США за 1 кВт-ч электричества [5].

7a Влияние типа класса на КПД насоса

100

95

90

85

80

75

70

65

60

КП

Д (%

)

Мощность электродвигателя (кВт)

КПД 4-полюсного электродвигателя в зависимости срока эксплуатации

IE3 2010

IE2 2000

IE1 1990

Iff3 1980

0.75

1.10

1.50

2.20

3.00

4.00

5.50

7.50

11.0

015

.00

18.5

0 22 30 37 45 55 75 90 110

132

160

200

220

260

315

330

370

7b Изменение КПД электродвигателя с гидравлической нагрузкой

0.05 0.1001 0.2001 0.3001 0.4001 0.5001 0.6001 0.7001 0.8001 0.9001 1.0001

97.595.092.590.087.585.082.580.077.575.072.570.067.565.062.560.0

КП

Д э

лект

род

вига

теля


Асинхронный электродвигатель 90 кВт

IE1 класс

IE1 класс (превышение номинального размера 85%)

Eff3 класс (превышение номинального размера 85%)

37

Устройство плавного пуска

Привод (5% Hmax)







9a Экономия энергии [%] при применении управления посред-ством частотно-регулируемого привода и циклического управления для насоса 90 кВт

100

90

80

70

60

50

40

30

20

10

0

Эко

ном

ии э

нер

гии

(% м

ощно

сти

/ др

оссе

ль

и ф

икси

ров

анна

я ча

стот

а вр

ащен

ия)

Эко

ном

ии э

нер

гии

(% м

ощно

сти

/ др

оссе

ль

и ф

икси

ров

анна

я ча

стот

а вр

ащен

ия)

Q/Qop (безразм.) Q/Qop (безразм.)

Насос – 90 кВт0.

00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

0.30

0.35

0.40

0.45

0.50

0.55

0.60

0.65

0.70

0.75

0.80

0.85

0.90

0.95

1.00

0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

0.30

0.35

0.40

0.45

0.50

0.55

0.60

0.65

0.70

0.75

0.80

0.85

0.90

0.95

1.00

1.05

9b Экономия энергии [%] при применении управления посредством частотно-регулируемого привода и циклического управления для насоса 350 кВт

100

90

80

70

60

50

40

30

20

10

0

Насос – 350 кВт

9c Оптимальный КПД для насоса 90 кВт благодаря возможности байпаса устройства плавного пуска при высоких нагрузках (90–100% расчетной производительности)

12.5

10.0

7.5

5.0

2.5

0.0

-2.5

-5.0

-7.5

-10.0

-12.5



0.92 0.93 0.94 0.95 0.96 0.97 0.98 0.99 1.00

10 Контрольная точка, в которой экономия при использовании цикличе-ского управления (устройство плавного пуска) становится выше, чем при использовании решения с частотно-регулируемым приводом

0.8

0.7

0.6

0.5

0.4

0.3

0.2

0.1

0.0

Hst/Hmax (%)

Q/Q

op (б

езр

азм

.)

90 кВт

350 кВт

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55

11a Период окупаемости решений управления посредством частотно-регулируемого привода и циклического управления (устройство плавного пуска) для насоса 90 кВт

5.0

4.5

4.0

3.5

3.0

2.5

2.0

1.5

1.0

0.5

0.0

Пер

иод

окуп

аем

ости

(год

ы)


0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0

11b Период окупаемости для решений управления посредством частотно-регулируемого привода и циклического управления (устройство плавного пуска) для насоса 350 кВт

2.75

2.50

2.25

2.0

1.75

1.50

1.25

1.00

0.75

0.50

0.25

0.0

Пер

иод

окуп

аем

ости

(год

ы)


0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0

Привод: предпочтительное решение

Устройство плавного пуска: предпочтительное решение


установки во время монтажа и ввода в эксплуатацию устройства плавного пуска.

Для насосов с номинальной мощностью около 25 кВт, цена преобразователя в три раза выше цены устройства плавного пу-ска, а для насосов 350 кВт – в пять раз [6].

Общие начальные инвестиции в связи с реализацией решений управления по-средством частотно-регулируемого при-вода и циклического управления, рассчи-тываются как сумма стоимости привода или устройства плавного пуска и процент-ной доли на производственные простои от

расходов на жизненный цикл системы [7].Для обеих топологий силовой электрони-ки используется значение 7,5%.

Стоимость индивидуальных компонентов может различаться по нескольким причи-нам. Прежде всего, следует отметить, что

Эко

ном

ии э

нер

гии

(% м

ощно

сти

/ др

оссе

ль

и ф

икси

ров

анна

я ча

стот

а вр

ащен

ия) Устройство плавного

пуска

Привод (5% Hst/Hmax)




Привод (Hst/Hmax = 5%)







Q/Qop (безразм.) Q/Qop (безразм.)


12 Рекомендуемое решение силовой электроники для системы с четырьмя параллельными насосами (гидравлическая система с преобладанием напора для преодоления трения)

Расход Q1 (м3/ч)Насос № 1

Устройство плавного пуска PSE


Распределительный трансформатор

Привод

Привод

Насос № 2

Насос № 3

Насос № 4

Расход Q2 (м3/ч)

Расход Q3 (м3/ч) Общий расход

Q (m3/ч)

Расход Q4 (m3/ч)

14 Рекомендуемое решение силовой электроники для системы с тремя параллельными насосами (гидравлическая система со статическим напором/с преобладанием напора для преодоления трения)


Расход Q2 (m3/ч) Общий расход

Q (m3/ч)


устройств плавного пуска, см. рис. 12. В схеме, обеспечивающей самое оптимальное решение в части периода окупаемости и функций управления, два насоса 1 и 2 оснащены устройством плавного пуска, а насосы 3 и 4 – преобразователем частоты, см. рис. 13. Насосы с устройством плавного пуска подключаются непосредственно к сети с высокой производительностью. Увеличивая частоту вращения в заданном диапазоне (свыше 50 Гц), насосы с приводом от преобразователей могут периодически, при необходимости, обеспечивать пиковый расход. В комбинированной гидравлической системе (υ = 5%), в схеме, которая предоставляет самое оптимальное решение в части периода окупаемости и функций управления, используются три насоса, из которых первые два оснащены устройствами плавного пуска, а третий насос – приводом, см. рис. 14 и 15.

Решения для систем с параллельными насосамиВо многих гидравлических системах оптимальную экономию электроэнергии с хорошей окупаемостью капиталовложений можно получить путем решений с параллельными насосами3, в которых сочетаются приводы и устройства плавного пуска.

Например, в гидравлических системах с преобладанием напора для преодоления трения (υ = 5%) рекомендуемое решение силовой электроники для системы с четырьмя параллельными насосами – каждый насос с номинальной мощностью 350 кВт (2500 м3/ч) – состоит из двух преобразователей и двух

низковольтные частотно-регулируемые приводы применяются больше при про-должительном режиме, а не в режиме пу-ска-останова и обеспечивают более тон-кое управление. Однако в них применяются биполярные транзисторы с изолирован-ным затвором (IGBT), и их необходимо проектировать с достаточной охлаждаю-щей способностью, что повышает их стои-мость по сравнению с устройствами плав-ного пуска такой же номинальной мощности. С другой стороны, в устрой-ствах плавного пуска, которые работают в короткие периоды времени до 15 секунд, используются надежные и недорогие ти-ристоры и обеспечивающее преимуще-ство естественное охлаждение.Период окупаемости для частотно-регули-руемых приводов и циклического управ-ления расходом показан на рис. 11a и 11b для электродвигателей 90 кВт и 350 кВт соответственно для трех гидравлических систем: υ= 5%, 25% и 50%.

Управление посредством частотно-регулируемого привода является лучшим решением в гидравлических системах с преобладанием напора для преодоления трения, а цикличе-ское управление рекомендует-ся для систем с преобладанием статического напора.

13 Схема управления в системе с четырьмя параллельными насосами

Насос 1 Насос 2 Насос 3 Насос 4

Силовая электроника Softstarter Softstarter Drive Drive

Управление расходом Циклическое Циклическое Частотное регул-ние Частотное регул-ние

Расход Q (m3/ч)

0–1,130 Вкл-Выкл (0–22.5%) Вкл-Выкл (0–22.5%) Выкл Выкл

1,130–2,500 Выкл Выкл Вкл (22.5–50% Pn) Вкл (22.5–50% Pn)

2,500–4,740 Вкл-Выкл (27.5–45%) Вкл-Выкл (27.5–45%) Вкл (22.5–50% Pn) Вкл (22.5–50% Pn)

4,740–5,790 Вкл-Выкл (60%) Вкл-Выкл (60%) Вкл (35–85% Pn) Вкл (35–85% Pn)

5,790–8,000 Вкл-Выкл (75%) Вкл-Выкл (75%) Вкл (70–85% Pn) Вкл (70–85% Pn)

8,000–10,000 By-pass By-pass Вкл (60–100% Pn) Вкл (60–100% Pn)

Higher than By-pass By-pass Вкл (> 100% Pn) Вкл (> 100% Pn)10,000

Распределительный трансформатор

Насос №1

Насос №2

Насос №3

Привод



39

Juan Sagarduy

ABB Corporate Research, Västeras, Sweden

[email protected]

Jesper Kristensson, Sören Kling, Johan Rees

ABB Cewe Control, Västeras, Sweden

[email protected]

[email protected]

[email protected]

Сноска3 Для оптимального регулирования расхода в

параллельных системах, работает один насос до тех пор, пока не будет достигнута контрольная точка в заданном расходе, после чего гидравлическая нагрузка разделяется на два одновременно работающих насоса [8]. При достижении второй контрольной точки активируются три насоса и т.д.

Литература[1] ITT Industries (2007). ITT’s Place in the cycle of

water: Everything but the pipes.[2] Aurora Pump (Pentair Pump Group) June 1994,

United States.[3] IEC 60034-31:2009. Rotating electrical machines.

Part 31: Guide for the selection and application of energy-efficient motors including variable speed applications.

[4] Brunner, C. U. (4–5 February 2009). Efficiency classes: Electric motors and systems. Motor energy performance standards event, Sydney (Australia). www.motorsystems.org.

[5] Department of Energy (DOE). Energy International Agency (EIA) (June 2009). Average retail price of electricity to ultimate customers.

[6] Sagarduy, J. (January 2010). Economic evaluation of reduced voltage starting methods. SECRC/PT-RM10/017.

[7] Hydraulic Institute (August 2008). Pumps & Systems, Understanding pump system fundamentals for energy efficiency. Calculating cost of ownership.

[8] ITT Flygt (2006). Cirkulationspumpar med vеt motor för värmesystem i kommersiella byggnader.

[9] Vogelesang, H. (April 2009). Energy efficiency. Two approaches to capacity control. World Pumps Magazine.

Устройства плавного пуска представля-ются чрезвычайно перспективным техни-ческим решением, особенно для устано-вок водоочистки и водоснабжения, в которых регулярное включение/выключе-ния для опорожнения баков и накачка жидкости для последующей обработки являются обычной практикой. Эти устройства отличаются высокой надеж-ностью, предусматривают возможность байпаса и располагают специальными ал-горитмами управления для пуска (им-пульсный пуск) и останова (отсутствие гидравлического удара). Однако опти-мального энергосбережения и хорошего периода окупаемости для широкого ряда гидравлических систем можно достичь путем применения схем с параллельными насосами, в которых используется ком-бинация приводов и устройств плавного пуска, см. рис. 17. Опираясь на ноу-хау в области технологии и значительный ас-сортимент низковольтного оборудования для автоматизации, АББ подтверждает свою приверженность политике обеспе-чения эффективного использования энергии с выгодой для потребителя.

Для обеих систем начальные инвестиции в решения силовой электроники трансформируются в экономическую прибыль менее чем за 1,5 года при условии, что регулируемый расход составляет менее 80% от общей производительности, см. рис. 16.

Наилучшее решение?Анализ пригодности систем частотного ре-гулирования и циклического регулирова-ния расхода в центробежных насосах был проведен для двух насосов (90 кВт и 350 кВт) в низковольтном диапазоне. Данные свидетельствуют о том, что управление по-средством частотного регулирования яв-ляется наилучшим решением в гидравли-ческих системах с преобладанием напора для преодоления потерь на трение (транс-портировка жидкости без разности высот), а для систем с преобладанием статическо-го напора рекомендуется циклическое управление. Следует избегать применения устройств управления посредством ча-стотного регулирования в системах с по-логими характеристиками насоса и на-грузки из-за риска нестабильности и повреждения насоса [9].

15 Схема управления расходом в системе с тремя параллельными насосами (комбиниро-ванная гидравлическая система)

Насос 1 Насос 2 Насос 3

Силовая электроника Плавный пуск Плавный пуск Привод

Управление расходом Циклическое Циклическое Частотное регулирование

Расход Q (м3/ч)

0–2,500 Вкл-Выкл (0–50%) Вкл-Выкл (0–50%) off

2,500–4,500 Вкл-Выкл (30–60%) Вкл-Выкл (30– 60%) Вкл (40–60% Pn)

4,500–5,760 Вкл-Выкл (60–75%) Вкл-Выкл (60–75%) Вкл (60–80% Pn)

5,760–6,630 Байпас Вкл-Выкл (75%) Вкл (55–90% Pn)

6,630–7,500 Байпас Байпас Вкл (35–100% Pn)

> 7,500 Байпас Байпас Вкл (> 100% Pn)

16 Расчетный период окупаемости для двух установок, состоящих из параллельных насосов и различных решений силовой электроники

5.0

4.5

4.0

3.5

3.0

2.5

2.0

1.5

1.0

0.5

0.0

Пер

иод

окуп

аем

ости

(год

ы)


Система с преобладанием напора для преодоления трения (2 устр. пл. пуска + 2 привода)

Комбинированная система (2 устр. пл. пуска + 1 привод)

0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

0.30

0.35

0.40

0.45

0.50

0.55

0.60

0.65

0.70

0.75

0.80

0.85

0.90

0.95

1.00

17 Насосная система в водоочистительной установке



ЛАРА КОРТИНОВИС, ЛЮЧИО АЦЦОЛА – автоматический

выключатель является одним из самых важных устройств для

безопасности в современных электрических системах. Можно

выделить множество различных классификаций выключате-

лей на основе класса напряжения, типа конструкции и

расцепителя, структурных особенностей. Однако текущие

тенденции рынка указывают на то, что потребителям все в

большей степени требуются модульность, гибкость и интегра-

ция автоматических выключателей. АББ ответила на эту

тенденцию выпуском новой прогрессивной серии автоматиче-

ских выключателей в литом корпусе. В данную серию,

получившую название Tmax XT, входят четыре устройства,

которые могут применяться для защиты распределительных

систем, электродвигателей и генераторов, перегруженной

нейтрали и в качестве выключателей-разъединителей. Они

предлагаются в трех- или четырехполюсном стационарном,

втычном или выкатном исполнении, и оснащаются новейшими

взаимозаменяемыми, точными и надежными, термомагнитны-

ми и электронными расцепителями. Разработано большое

количество новых специальных аксессуаров.

Простаяэкстраординарность

Новая серия современных автоматических выключателей в литом корпусе Tmax XТ компании АББ

41Простая экстраординарность

Выключатели XT1 и XT3 могут применять-ся в мощных распределительных установ-ках, в больницах и, в целом, во всех обла-стях сектора обслуживания, где требуется обеспечение высокой надежности; в свою очередь выключатели XT2 и XT4, с самой высокой отключающий способностью на рынке, идеально подходят для примене-ния в тяжелой промышленности, метал-лургии и для морского применения (круиз-ные суда, буровые вышки, контейнерные суда), где требуется чрезвычайно высокая отключающая способность. Что уникаль-но для рынка, устройства этих двух типо-размеров могут быть оснащены электрон-ными расцепителями самого последнего поколения электроники, что обеспечивает взаимозаменяемость и возможность ин-тегрирования функций связи, начиная с номинального тока 10 A.Выключатели XT1 и XT3 поставляются в трех- и четырехполюсном стационарном и втычном исполнениях. Благодаря глубине всего в 70 мм и стандартному фланцу 45 мм они могут быть установлены в один ряд на DIN-рейку или монтажную плату.

Инновации в научно-исследователь-ских разработкахС целью сокращения времени разработки

щих стандартам модульных, компактных и интеллектуальных устройств, которые мо-гут быть легко интегрированы или сопря-жены с другими компонентами или систе-мами.Новая серия автоматических выключате-лей компании АББ, Tmax XT, является при-мером таких устройств (см. рис. на титуль-ной странице). В этой серии, которая отличается высокой отключающей спо-собностью при крайне компактных разме-рах и оснащена самыми современными электронными расцепителями защиты, объединены более чем 60-летный опыт компании в области разработки автомати-ческих выключателей и современные тех-нологические достижения.

Состав серии Tmax XTСерия Tmax XT состоит из устройств четырех типоразмеров (XT1, XT2, XT3 и XT4) с номинальными токами до 250 A и с номинальной предельной наибольшей отключающей способностью Icu до 150 кА (при 415 В) и 90 кА (при 690 В):− XT1 (160 A) с Icu до 70 кА (при 415 В);− XT2 (160 A) с Icu до 150 кА(при 415 В);− XT3 (250 A) с Icu до 50 кА (при 415 В);− XT4 (160–250 A) с Icu до 150 кА (при

415 В).

K омпания АББ разрабатывает и производит низковольтные авто-матические выключатели в литом корпусе (MCCB) и воздушные ав-

томатические выключатели (ACB) с 1934 года. Первая серия автоматических вы-ключателей MCCB, известная под назва-нием «Isol», оснащалась термомагнитным расцепителем защиты и обладала макси-мальной отключающей способностью до 25 кА (при 415 В перем. тока). Каждые 10 лет после появления серии Isol на рынок выпускались новые серии автоматических выключателей, включая Fusol, Modul, Limitor и Isomax. Широко известная серия автоматических выключателей Tmax T была выпущена в 2001 году.В течение последнего десятилетия прои-зошли некоторые существенные измене-ния в потребительском и рыночном спро-се, которые в свою очередь повлияли на поставщиков. Например, для новых и со-временных электроустановок требуются устройства защиты с более высокой ско-ростью действия и надежностью для обе-спечения безопасности, стабильности и непрерывной эксплуатации. Для постав-щиков – многие из которых появились в последние десять лет – это означает не-обходимость разработки соответствую-

Автоматические выклю-чатели нового поколе-ния Tmax компании АББ – это модульные и интеллектуальные устройства, соответ-ствующие требованиям стандартов, которые могут быть легко интегрированы или сопряжены с другими компонентами или системами.


Затем одновременно требовалось разра-ботать, выбрать, интегрировать и выпол-нить взаимосвязь отдельных компонентов электромеханического блока, т. е. пласти-ковый корпус, датчики тока и выводы, электронный расцепитель, катушка расце-пления внутренние и соединения, см. рис. 3. Необходимо было выбрать правильные компоненты, определить их оптимальное положение на печатной плате и проверить сопряжение с другими компонентами электромеханического блока. Эти дей-ствия стали возможны благодаря исполь-зованию общей платформы проектирова-ния задолго до начала сборки физической конструкции.Благодаря масштабируемости и широкой применимости, эту платформу, можно ис-пользовать повторно в качестве базы для будущих разработок с высоким уровнем совместимости программного обеспече-ния (т.е. одинаковая аппаратная и про-граммная платформа). Это обстоятель-ство гарантирует сокращение периода от начала разработки изделия до выхода его на рынок и повышенную надежность. Про-граммно-аппаратные средства были раз-работаны в соответствии с международ-ными стандартами качества программного обеспечения, такими как Дополнение SE2 стандарта UL489, и с последними директи-вами по проектированию ПО.Расцепители серии Ekip обеспечивают за-щиту установок на частоте 400 Гц (напри-мер, аэропорты, суда). С этой целью было необходимо выполнить обширный частот-ный анализ, для которого требуются дат-чик тока с правильными амплитудно-ча-стотными характеристиками, аналоговый канал с адекватной пропускной способно-стью для измерения гармонических со-ставляющих и цифровой фильтр правиль-ной конструкции для точной реконструкции сигналов, см. рис. 4. Эти требования были реализованы с помощью средств модели-рования Simulink и Matlab.Функциональные возможности расцепи-теля Ekip могут быть расширены с помо-щью аксессуаров, поддерживающих тех-

и сертификации конструкции автоматиче-ских выключателей, а также для повыше-ния качества проекта, инженеры компа-нии АББ разработали перспективные средства проектирования, которые можно использовать на этапе эскизного проекта:− общая платформа проектирования для

разработки, выбора, интеграции и сопряжения отдельных компонентов выключателей серии Tmax XT;

− «мультифизическое» моделирование для проектирования и калибровки полной номенклатуры расцепителей защиты Tmax XT;

− система визуализации дуговых разрядов (AIS), позволяющая провести оптическую диагностику низковольтной дуги;

− значительно ускоренные испытания на износостойкость (HALT), с определени-ем типов отказов, позволяющие внести корректировки в процесс проектирова-ния или производства.

Общая платформа проектированияОдно из требований к новому электронно-му расцепителю «Ekip» (используется в вы-ключателях типоразмеров XT2 и XT4) со-стояло в усовершенствовании возможностей в компактном устройстве. Усовершенствование, как правило, означа-ет повышение сложности разработки, уве-личение расчетной мощности и функцио-нальности – но теперь все это возможно реализовать в устройстве, которое на 50% компактнее своего предшественника, см. рис. 1 и 2. Для этого разработчики сначала рассмотрели основной компонент устрой-ства и выбрали очень мощный 32-битный микроконтроллер ARM1, отличающийся большей энергоэффективностью и высо-кими эксплуатационными характеристика-ми наряду с использованием компактной однопроцессорной конфигурации. Он обе-спечивает повышенный уровень возмож-ностей подключения, позволяя осущест-влять комплексную разработку различных коммуникационных шин.

2 Трёхмерное изображение печатной платы нового расцепителя

Серия автоматических выключателей Tmax XT состоит из устройств четырех типоразмеров, которые могут исполь-зоваться для защиты распределительных систем, электродвигате-лей и генераторов, пе-регруженной нейтрали и в качестве выключате-лей-разъединителей.

1 Размер старого расцепителя Tmax в сравнении с размером нового расцепи-теля

3 Электронно-механический блок автоматического выключателя, вид в сборе

Примечания1 Компания ARM, с главным офисом в

Кембридже (Великобритания), является ведущим в отрасли поставщиком 32-битных встроенных микропроцессоров.

2 В Дополнении SE стандарта UL489 приводят-ся требования к автоматическим выключате-лям в литом корпусе и к переключателям в литом корпусе с ПО в программируемых компонентах.

43

– время срабатывания при 1,3 × In менее 10 минут;

– время срабатывания при 2,0 × In менее 3 минут;

– время срабатывания при 6,0 × In менее 20 секунд;

– ограниченное превышение температу-ры во время короткого замыкания (Icu, Ics).

Чтобы выполнить эти условия, которые от-носятся к различным разделам физики, была реализована итерационная много-профильная процедура, см. рис. 7. Начи-ная с приблизительной геометрической конфигурации (включая свойства матери-алов), последовательность электрическо-го моделирования при поданном токе по-зволила выявить соответствующие источники тепла для последующих тепло-вых расчетов. После получения удовлет-ворительного профиля распределения температуры, становятся определенными все неизвестные механические величины (деформация, скорость и усилие биметал-лического элемента). Таким образом, начальная геометрия пересматривается до тех пор, пока не будут полностью выполнены все вышеупомянутые условия.По сравнению с классическим аналитиче-

между местной коммуникационной шиной расцепителя и системной шиной. Кроме того, имеется возможность дистанционно-го управления расцепителем и автомати-ческим выключателем, при использовании моторных приводов.

«Мультифизическое» моделированиеБиметаллическая пластина – это механи-ческое устройство, которое преобразует изменение температуры в изменение фор-мы. Благодаря простой конструкции, на-дежности и низкой стоимости производ-ства это устройство считается наиболее распространенным решением защиты от сверхтоков автоматического выключате-ля. Хотя принцип действия биметаллов хо-рошо изучен и известен уже многие годы, проектирование и калибровка полной но-менклатуры реле максимального тока Tmax XT оказались непростой задачей, так как необходимо было обеспечить со-ответствие техническим стандартам, включая следующие требования:– низкий режимный перегрев с номи-

нальном током In;– низкая чувствительность к температуре

окружающей среды;– ток несрабатывания 1,05 × In;

нологию «включи и работай», таких как графический ЖК-дисплей с подсветкой (Ekip Display), светодиодный индикатор (Ekip LED Meter), локальный интерфейс связи (Ekip T&P и Ekip Connect), системный коммуникационный интерфейс (Ekip COM) и устройство для тестирования расцепи-теля и определения последнего срабаты-вания (Ekip TT). Дисплей Ekip Display, ин-новационное устройство для автоматических выключателей в литом корпусе АББ, представляет собой графи-ческий человеко-машинный интерфейс, который обеспечивает возможность мест-ного конфигурирования расширенных функций расцепителя, доступных прежде только через коммуникационную шину или дополнительные устройства конфигу-рирования, см. рис. 5. Питание на дисплей подается непосредственно от расцепите-ля, а также дисплей можно легко переу-становить с одного расцепителя на дру-гой. Блок Ekip T&P позволяет подключить расцепитель к порту USB ПК и работает вместе с модулем Ekip Connect, программ-ным обеспечением для контроля, настрой-ки и тестирования, см. рис. 6. Модуль Ekip COM может быть установлен в автомати-ческий выключатель и обеспечивает связь

4 Пример имитационной модели апаратной части и ПО для частотного анализа

5 Дисплей выключателя Tmax XT Ekip Display

6 Скриншот программного обеспечения Ekip Connect

Простая экстраординарность


шкале и накладывается в правильном по-ложении на изображение дуговой камеры автоматического выключателя.Система AIS зарекомендовала себя как отличное средство с корректной и точной интерпретацией результатов испытаний и, при выполнении анализа с использовани-ем осциллограмм испытательной лабора-тории, внесла огромный вклад в выясне-ние многих аспектов отключения тока.

Ускоренные испытания на износостойкость (HALT)Автоматические выключатели Tmax XT разработаны с применением современ-ных методик, что обеспечило их повышен-ную надежность и прочность. Эти выклю-чатели были спроектированы и испытаны в соответствии с требованиями всех при-меняемых международных стандартов, а также с требованиями Морского реги-стра. Один из реализованных методов, ускоренные испытания на износостой-кость (HALT), базируется на принципе экс-пресс-испытаний. Эти испытания прово-дятся непосредственно на укомплектованных выключателях, аксес-суарах и отдельных компонентах на этапе проектирования.Цель испытаний HALT состоит в том, что-бы под действием нагрузок вызвать бы-стрый отказ изделия и проанализировать типы отказов. Главное - это определение типов отказов и скорости, с которой они проявляются. В реальных условиях экс-плуатации могут пройти годы, прежде чем эти отказы действительно произойдут. Ис-пытания HALT считаются успешными, если будут вызваны отказы, определены типы отказов и внесены корректировки в про-цесс проектирования или производства, см. рис. 11.В соответствии с процедурой HALT, изде-лие подвергается воздействию механиче-

ским подходом, такая процедура имеет два преимущества:– широкий диапазон применения (от

маленьких до больших токов);– геометрическая независимость

(каждое решение можно проанализи-ровать).

Оптическая диагностика низковольтных дугАнализ отключения токов короткого замы-кания представляет трудность для разра-ботчиков. Например, во время расцепле-ния плазма дуги может достигнуть температуры до 20000 K , и ее необходимо очень быстро погасить. Для наблюдения и анализа за развитием дуги во время ко-роткого замыкания была разработана си-стема визуализации дуги (AIS). Она состо-ит из матрицы оптических волокон, устанавливаемой с боковой стороны вы-ключателя, считывающей интенсивность света внутри дугогасительных камер, см. рис. 8. Система регистрации данных, раз-работанная совместно с Университетом Саутгемптона, представляет собой авто-номную мобильную систему с набором оптического волокна различной длины, см. рис. 9. Она включает в себя специаль-ный ПК, с встроенным экраном и клавиа-турой. В аппаратную систему входят шесть плат, каждая из которых имеет 16 каналов для регистрации данных (всего 96 каналов). Аппаратура устанавливается на виброустойчивых креплениях и герметич-но уплотняется для транспортировки.Была разработана программа последую-щей автоматической обработки данных, которая визуализирует развитие дугового разряда: отдельные кадры одного приме-ра показаны на рис. 10. Иначе говоря, для каждого момента времени в выборке, ин-тенсивность света каждого волокна ото-бражается на соответствующей цветовой

7 Многопрофильная процедура

9 Вид системы визуализации дуги (AIS)

8 Для контроля развития дуги, оптические волокна помещаются на боковой стороне выключателя с промежуточным расположением защитного стекла

Значительно ускорен-ные испытания на дол-говечность (HALT) ба-зируются на принципе экспресс-испытаний и выполняются непосредственно на укомплектованных выключателях, аксес-суарах и отдельных компонентах на этапе проектирования.

Стекло

Геометрия

Деформация Плотность тока

Температура (короткое

замыкание)

Температура (сверхток)

1

25

34

45

ям промышленного оборудования, от стан-дартных и до самых современных с точки зрения технологии. В выключателях приме-няется новая гамма как термомагнитных, так и электронных расцепителей защиты, поддерживающих технологию «включай и работай», которые являются взаимозаме-няемыми, начиная с самого малого типо-размера, и гарантируют абсолютную на-дежность и точность отключения.Кроме того, эти автоматические выключа-тели разработаны с учетом экологических норм, а именно в соответствии с Директи-вой об ограничении использования вред-ных веществ в электрическом и электрон-ном оборудовании (RoHS) и с требованиями других экологических стандартов по та-ким веществам. Также, для оценки и мини-мизации воздействия изделий на окружа-ющую среду в отношении выбросов, исчерпания ресурсов и образования отхо-дов в течение жизненного цикла, с момен-та изготовления и до утилизации, исполь-зовалась методика анализа жизненного цикла (LCA).

Лара Кортиновис

Лючио Аццола

ABB S.p.A

Bergamo, Italy (Италия)

[email protected]

[email protected]

Каждый этап испытаний HALT предусма-тривает:− планирование эксперимента с помо-

щью методики построения эксперимен-та (DOE), для определения подходящего количества выборок и переменных;

− выполнение испытаний по методике HALT с определенными уровнями нагрузки и длительности каждого этапа;

− анализ результатов, путем соотноше-ния отказа со статистическими моделями, такими как закон Аррениуса для отказов, обусловленных тепловым воздействием; теория температуры и влажности Эйринга; обратный степен-ной закон (IPL) в отношении давления, механической нагрузки; модель электропитания и теплового/нетеплово-го эффекта (T-NT) (например, темпера-тура и вибрация).

В целом, эта методика усовершенствова-ла процесс разработки конструктивного ряда XT, позволила конструкторам лучше понять ожидаемое поведение изделия на протяжении жизненного цикла и сокра-тить период от начала разработки изделия до выхода его на рынок.

Опыт разработки и производстваНовые автоматические выключатели Tmax XT компании АББ разработаны и произве-дены для удовлетворения всем требовани-

ских нагрузок, выходящих далеко за пре-делы его технических возможностей и нормальных условий окружающей среды. Определяются и, по возможности, расши-ряются фактические функциональные пределы и пределы разрушения (напри-мер, вибрация до 40 g, температура от -80 до 180°C и тепловой удар со скоростью нагрузки 15°C/мин), см. рис. 12.

10 Регистрация успешного отключения с помощью системы визуализации дуги (AIS)

Автоматические вы-ключатели Tmax XT разработаны и произ-водятся в соответствии с Директивой об огра-ничении использования вредных веществ в электрическом и элек-тронном оборудовании (RoHS Directive), а для оценки и минимизации вредного воздействия на окружающую среду применяется анализ жизненного цикла (LCA).

d Охлаждение дуги (4 мс).e Электрическая прочность почти восстановлена (5 мс).f Окончание процесса: успешное отключение тока – (6 мс).

a Отталкивание контакта и зажигание дуги (1 мс).b Движение дуги от контакта к каналу дуги (2 мс).c Растягивание дуги в дугогасительной камере (3 мс).

11 Определение прочности под действием механических нагрузок во время ускоренных испытаний на износостойкость (HALT)

Приложенная механическая

нагрузка

Зона отказов

Прочность при t = n лет

Прочность при t = 0

Снижение прочности

12 Цикл ускоренных испытаний на износостойкость (HALT)

157150140130120110100

908070605040302010

0-10-20-30-40-50-60-67

Пер

емен

ная

29 июля 2009

График – 4 часа

Температура воздуха

Температура под нагрузкой

Влажность

Вибрация

02:2

002

:30

02:4

5

03:0

0

03:1

5

03:3

0

03:4

5

04:0

0

04:1

5

04:3

0

04:4

5

05:0

0

05:1

5

05:3

0

05:4

5

06:0

0

06:2

0

Простая экстраординарность


47Передвижные трансформаторы

Б есперебойность и качество энергоснабжения являются дву-мя наиболее важными оператив-ными задачами электроэнерге-

тических компаний. Управление растущим спросом на электроэнергию требует новых инвестиций и все более эффективного использования существу-ющего оборудования. В этом контексте энергокомпаниям требуются стратегии, позволяющие сократить эксплуатацион-ные расходы и расходы на техническое обслуживание при одновременном со-кращении числа незапланированных от-ключений и отказов.

Силовые трансформаторы являются су-щественными активами в цепи доставки электроэнергии. Они представляют со-бой один из наиболее важных, дорого-стоящих компонентов и крити-ческих узлов в высоковольтных сетях электропередачи. На-дежность мощных трансфор-маторов представляет собой основной источник озабочен-ности энергокомпаний. Транс-форматоры критически важны для работы системы передачи и для их замены требуются значительные затраты време-ни и средств. Это сложный элемент оборудования, харак-теризующийся высокой стоимостью и большими затратами труда на проектиро-вание и изготовление. Кроме того, для них характерны сравнительно большие

сроки поставки, а для оптимизации их эксплуатации и срока службы требуется соответствующее техническое обслужи-вание.

В зависимости от стратегической важно-сти установки, незапланированное от-ключение трансформатора может приве-сти к существенному сокращению производства или к потере доходов для энергокомпании, существенно повлиять на систему. В крайних случаях отказ трансформатора может привести к об-щему отключению электроснабжения с соответствующим ущербом для репута-ции, жалобами потребителей и админи-стративными штрафами.

Во избежание этих проблем необходима разработка планов действий в чрезвы-

чайных ситуациях, позволяющих принять меры в случае отказа трансформаторов и длительного отключения электроэнергии. Имеются различные стратегии планиро-

Передвижные трансформаторы

МИГЕЛЬ ОЛИВА – Установки для подачи

электроэнергии в ваш дом или на завод

разрабатываются и эксплуатируются с

учетом обеспечения высочайшего

уровня надежности. Однако, несмотря на

качественную конструкцию и техниче-

ское обслуживание, никогда нельзя

полностью исключить возможность

отказов. Серьезная авария может

вывести трансформатор из строя на

несколько месяцев или почти на год,

пока не будет приобретен новый

трансформатор или выполнен большой

объем ремонтных работ. Но для того

чтобы продолжить обслуживание

потребителей в этот период, требуется

альтернатива. Одним из вариантов

является использование передвижного

трансформатора. Такой трансформатор

имеет достаточно небольшие размеры и

вес, может перевозиться автотранспор-

том в виде единого блока или в разо-

бранном состоянии, которое, тем не

менее, позволило бы его быстро собрать

и запустить в работу. До настоящего

времени выпускались передвижные

трансформаторы на напряжение не

более 230 кВ. Благодаря новаторской

конструкции, компании АББ удалось

создать передвижной трансформатор на

400 кВ.

Быстро развертываемые модульные трансформаторы для высоковольтных систем передачи

Время, необходимое для мон-тажа трансформатора в слу-чае аварии, может быть со-кращено с нескольких недель или месяцев до 10–15 дней, включая подготовку к отправ-ке и транспортировку.


ка трансформаторов осуществляется в полностью собранном состоянии с зали-тым маслом.

Основным препятствием для выпуска пе-редвижных трансформаторов на номи-нальное напряжение более 230 кВ явля-ется увеличение веса и размеров. В связи с этим до настоящего времени напряже-ние передвижных трансформаторов ограничивалось этим значением. Компа-ния АББ работала над этой проблемой в целях поиска решения для быстрого вы-полнения планов действий в аварийных ситуациях в сетях электропередач более высокого напряжения.

КонцепцияСиловые трансформаторы на значения, превышающие 100 МВА, оказываются сравнительно тяжелыми и большими. Для их транспортировки требуются специаль-ные автомобили, а также тщательная оценка и планирование, кроме того, не-обходимо получение разрешений адми-

нистративных орга-нов, на что может уйти много времени рис. 4.

В связи с этим АББ поставила перед со-бой задачу решить проблему ограниче-ния мощности и транспортабельности

передвижных трансформаторов. Требо-валось изготовить трансформатор боль-шой мощности с уменьшенными разме-рами, чтобы обеспечить возможность его перевозки автотранспортом и использо-вать при этом упрощенные администра-тивные процедуры.

АББ выбрала модульный подход. Модули однофазных трансформаторов меньших размеров объединяются для получения

вания таких действий. К ним относятся следующие:– Сеть с дополнительными соединениями – Резервные трансформаторы – Стандартизация трансформаторов – Запасные блоки – Системы на несколько значений напря-

жения – Передвижные трансформаторы

Закупка нового трансформатора с за-данными характеристиками занимает от нескольких месяцев до года и более. На монтаж имеющегося резервного транс-форматора может уйти от нескольких недель до нескольких месяцев, так как, если он не установлен на месте аварии, то его необходимо доставить, разгру-зить, собрать и выполнить ряд других действий. Очень важны планы восста-новления после аварии для быстрого принятия мер. В таких ситуациях пере-движные трансформаторы могут играть важную роль.

Передвижные трансформаторы – это не новая концепция, но их напряжение тра-диционно ограничивалось значением 230 кВ. Обычно передвижные трансфор-маторы рассчитаны на напряжение от 35 до 245 кВ при номинальной мощности от 5 до 100 МВА и представляют собой трех-фазные системы. В целях минимизации размеров и веса обычно используется те-плостойкая изоляция. Для обеспечения быстрого развертывания транспортиров-

3 Общие сведения о передвижных трансформаторах

Основные особенности высоковольтных передвижных трансформаторов:

– Модульная концепция для напряжений 345, 400 и 525 кВ

– Быстрое развертывание – Быстрота и простота транспортировки – Возможность использования систем

на несколько значений напряжения

Преимущества и применения передвижных трансформаторов более высокой мощности:

– Планы действий в аварийных ситуациях с быстрым реагированием и гибкостью для восстановления работы критически важных подстанций в случае отказа трансформаторов; основной целью является сокращение сроков

– Временная установка в целях временного увеличения мощности в критических местах в случае сезонного пикового увеличения нагрузки или для определенных мероприятий

– Сокращение страховых платежей– Уменьшение проблем в отношении

местных служб обеспечения безопасности

– Снижение рисков полного отключения электроснабжения, административных штрафов и жалоб от потребителей

– Очень быстрая окупаемость инвестиций в связи с потребностью в оборудовании, а цена упущенной выгоды очень высокая

Основная задача проекта заклю-чалась в получении максимальных характеристик с учетом существу-ющих ограничений на перевозку автотранспортом.

1 Трансформаторы на различные напряжения: Модули однофаз-ных трансформаторов небольшого размера, которые можно объединять для получения блока большей мощности

Модульный подход

Однофазные модули объединяют для получения однофазных трансформаторов большей мощности или трехфазных трансформаторов

Однофазные модули, например, на 100 МВА

Три модуля, например, для получения трехфазного трансформатора на 300 МВА

Два модуля, например, для получения однофазного трансформатора на 200 МВА

2 Модульная концепция: передвижной трансформатор на 400 кВ для использования в аварийных ситуациях

Пример использования двух модулей для замены однофазного трансформатора

Пример использования трех модулей для замены трехфазного трансформатора

49

соединений, для перевозки потребуется снять высоковольтные вводы, хотя мож-но использовать и кабельные муфты.

Работы по окончательной сборке должны тщательно планироваться, чтобы учесть все практические аспекты: заливку мас-ла, ввод в эксплуатацию и проведение ис-пытаний при одновременной минимиза-ции затрат времени до начала использования трансформатора. Время на монтаж может быть сокращено, если трансформатор хранится в хорошо под-готовленном к отправке состоянии, пер-сонал обучен выполнению своих задач, а требуемые действия определены.

При использовании данной концепции время для монтажа трансформатора в случае аварии может быть сокращено с нескольких недель или месяцев до 10–15 дней, включая подготовку к отправке и транспортировку. Это позволяет энерго-компаниям быстро заменить вышедшие из строя трансформаторы в сети элек-тропередачи рис. 3.

блока большей мощности рис. 1. Напри-мер, два однофазных модуля объединяют для получения однофазного трансфор-матора большей мощности или три моду-ля для получения трехфазного блока рис. 2. Для оптимизации размеров использу-ют броневые трансформаторы. Некото-рые преимущества броневых трансфор-маторов:– Компактность конструкции, при этом

магнитопровод ограждает обмотки, что упрощает выполнение требований по перевозке и погрузке-разгрузке.

– Горизонтальная укладка, что упрощает перевозку и оптимизирует конструк-цию трансформатора.

Трансформатор собирается на платфор-ме автомобиля для ускорения подготовки к перевозке при минимуме администра-тивных разрешений. Была выбрана тра-диционная целлюлозная изоляция, так как теплостойкая изоляция до сих пор не использовалась для напряжений выше 230 кВ. В настоящее время ведется ис-следовательская работа, чтобы исполь-зовать теплостойкую изоляцию для повы-шения мощности при тех же размерах или уменьшить вес при той же мощности.

Важным аспектом является возможность быстрого развертывания данных транс-форматоров. Если был превышен вес и размеры, ограничивающие возможности транспортировки, трансформаторы пе-ревозятся частично разобранными и без изоляционного масла.

Конструкция трансформатора дорабаты-вается с учетом конкретного применения с целью сокращения объема работ по разборке. Трансформатор также может быть сконструирован таким образом, чтобы он перевозился и собирался с рас-положением теплообменников на авто-мобиле. В зависимости от типа внешних

Трансформатор соби-рается на платформе автомобиля для уско-рения подготовки к транспортировке при минимуме администра-тивных разрешений.

4 Для перевозки стандартного большого трансформатора автомобильным транспортом требуются специальные автомобили и получение разрешений

5 Передвижной трансформатор готов к перевозке

Передвижные трансформаторы


возке и собран на автомобиле, без залив-ки масла рис. 5. С энергокомпанией была согласована его поставка с отде-ленными вводами и теплообменниками. Был совместно подготовлен детальный план сборки для того, чтобы сократить время сборки на месте и надлежащим об-разом обучить персонал. Энергокомпа-ния также разработала схему подключе-ния к системе, разрядник и изоляторы для подключения к линии, кабельные со-единители, системы управления и т. д. Были учтены вопросы техники безопас-ности и охраны окружающей среды, а на случай утечек масла был предусмотрен перемещаемый сборник масла.

Было изготовлено три установки на 400 кВ. С целью подготовки к аварийной ситуации энергокомпанией проведен пробный монтаж, который позволил за одни испытания проверить работоспо-собность, время, необходимое на развер-тывание и подготовку персонала. Заказ-чик был удовлетворен результатами испытаний, которые в реальной ситуации соответствовали бы быстрому восста-новлению электроснабжения.

Мигель Олива ABB Power Products Кордова, Испания [email protected]

ров для замены тех, которые используются энергокомпанией (одно-фазных или трехфазных).

Возможность использования переключа-теля обмоток под нагрузкой была отвер-гнута, чтобы не увеличивать вес и объем. Был использован переключатель обмоток в выключенном состоянии, чтобы доба-вить некоторые дополнительные функции и возможности регулирования в отклю-ченном режиме.

Основная задача проекта заключалась в получении максимальных характеристик с учетом существующих ограничений на перевозку автотранспортом. Был исполь-зован броневой трансформатор с гори-зонтальной укладкой. Перевозимая мас-са готового изделия составляет менее 60 тонн при высоте менее 3,4 м и ширине менее 2,7 м.

Трансформатор был подготовлен к пере-

Практический случай Концепция быстроразвертываемых пере-движных трансформаторов была разра-ботана для поддержки стратегических планов действий в аварийных ситуациях испанского оператора сетей электропе-редачи и владельца системы на 400 кВ (REE: Red Electrica). Это первый в мире случай использования передвижного трансформатора на 400 кВ.

Был использован совместный подход, чтобы воспользоваться возможностями синергии АББ и энергокомпании. Мощ-ность однофазных модулей 117 МВА и другие характеристики, например полное сопротивление, были выбраны таким об-разом, чтобы получить возможность за-мены стандартных трансформаторов энергокомпании (однофазные трансфор-маторы на 200 МВА) и обеспечить трех-фазные трансформаторы большой мощ-ности (350 МВА) при соблюдении ограничений размеров для транспорти-ровки автомобильным транспортом.

Был изготовлен трансформатор на не-сколько значений напряжения: – со сто-роны высокого напряжения – на 400 кВ, на стороне низкого напряжения можно выбирать значение 230 кВ или 138 кВ, на третичной стороне – три различных уровня напряжения (33 кВ, 26,4 кВ и 24 кВ). Такая конструкция создает дополни-тельные возможности и расширяет об-ласть применения этих трансформато-

Передвижные транс-форматоры не являют-ся новой концепцией, однако, их напряжение традиционно ограни-чивалось значением 230 кВ.

51Активное повышение качества

Активные фильтры PQF компании АББ улучшают характеристики и повышают КПД системы

КУРТ ШИПМАН, ФРАНСУА ДЕЛИНК – Расширение использова-

ния нелинейных нагрузок во всех типах промышленных и

коммерческих применений привело к появлению потенциально

вредных гармоник тока в силовых сетях, которые могут

приводить к перегреву кабелей, электродвигателей и транс-

форматоров, повреждению чувствительного оборудования,

срабатыванию автоматических выключателей и перегоранию

предохранителей, а также к преждевременному старению

установок.

Модульные активные фильтры PQF компании АББ предостав-

ляют надежное и экономичное решение данной проблемы

посредством постоянного контроля тока в реальном времени

для того, чтобы определить, какие гармоники присутствуют, а

затем подать в сеть токи гармонических составляющих точно в

противоположной фазе компонентам, которые необходимо

отфильтровать. Две гармоники эффективно гасят друг друга,

так что на трансформатор питания поступают чистые синусои-

дальные колебания.

Активное повышение качества


пании, подключенный к этой же системе питания, окажется подверженным воздей-ствиям искажений, созданных другим по-требителем энергокомпании.Это может привести к эксплуатационным проблемам в других установках.

Большая часть потребителей приняли и соблюдают стандарты качества электроэ-нергии и правила, направленные на огра-ничение проблем такого типа. Несоблюде-ние таких правил ведет к отказу в выдаче разрешения на подключение новой уста-новки.

Решение проблем гармонических «загрязнений» и несимметричности нагрузкиИсторически для решения проблемы за-грязнения гармониками было предложено использовать пассивные фильтры. В низ-ковольтных (LV) установках эти решения применяются все меньше в следующих случаях:– Низковольтные установки являются

очень динамичными, что приводит к сравнительно быстрой перегрузке пас-сивного фильтра

– Современные нагрузки (например, ча-стотно-регулируемые приводы, совре-менные системы освещения) уже имеют очень хорошее значение cos ϕ (возмож-но, даже емкостное), что приводит к перекомпенсации при установке пас-сивного фильтра. Это, в сочетании с ограниченными возможностями типич-ных резервных генераторов работать в условиях емкостного значения cos ϕ, снижает надежность такой установки.

– Пассивные фильтры низковольтных установок обычно устраняют гармоники низших порядков. Однако в настоящее время основные проблемы возникают с гармониками высших порядков.

– Эффективность фильтрации пассивно-го фильтра определяется отношением полного сопротивления пассивного фильтра к полному сопротивлению

показано на рис. 1, где приводится обзор типичных финансовых потерь в связи с аварией (остановкой электрооборудова-ния), вызванной плохим качеством элек-троэнергии в различных отраслях [1]. Дан-ные, помеченные (*), были взяты из исследования качества электроэнергии в Европе, проведенного Европейским ин-ститутом меди в 2002 г. Остальная инфор-мация основана на данных АББ.

Один из возможных методов теоретиче-ской количественной оценки дополни-тельных потерь, вносимых гармониками в трансформаторы, описан в стандарте IEEE C57.110 [2]. Расчетное воздействие зависит от ситуации на месте, но ясно, что потери быстро накапливаются.

В настоящее время большая часть загряз-нения гармониками создается токами гар-монических составляющих, вызываемыми

нагрузками отдельных установок. Такой ток гармонических составляющих, воз-действующий на полное сопротивление сети, приводит к возникновению напряже-ния гармоник (закон Ома), которое затем прикладывается ко всем нагрузкам уста-новки потребителя. Кроме того, если не отфильтровать ток гармонических состав-ляющих, возникший в одной установке, он также будет протекать через трансформа-торы питания в сеть энергокомпании, соз-давая гармонические искажения напря-жения в сети общего пользования. В результате любой потребитель энергоком-

Э лектрические сети с плохим ка-чеством электроэнергии приво-дят к финансовым потерям, не-гативному воздействию на

окружающую среду или проблемам безо-пасности. Существует три основные при-чины плохого качества электроэнергии:– Загрязнение гармониками – Несимметричность нагрузки, приводя-

щая к несимметричности напряжений – Реактивная мощность

Избыточное воздействие этих условий приводит к частым отказам оборудова-ния или к сокращению его срока службы, снижению производства, уровня безо-пасности установок, увеличению выбро-сов парниковых газов, несоблюдению требований энергосистемы и к другим нежелательным последствиям. В допол-нение к финансовым потерям возникают расходы, понесенные вследствие допол-нительного потребления киловатт-часов в таких типовых компонентах сети, как трансформаторы, кабели и электродви-гатели. Эти потери каскадно распростра-няются к электростанциям энергосисте-мы и, в зависимости от процесса и вида топлива, используемого для выработки электроэнергии, приводят к повышению выбросов CO2. Например, атомные элек-тростанции почти не выделяют CO2 на кВт ч, в то время как электростанции на угле выделяют от 900 до 1000 г/кВт ч.

Если в связи с плохим качеством электро-энергии производство будет остановлено, то это приведет к большим убыткам. Это

Модульные активные фильтры PQF компании АББ используются для противодействия потен-циально вредным гар-моникам тока в сило-вых сетях.

1 Примеры финансовых потерь при происшествиях, вызванных плохим качеством электроэнергии

Отрасль Финансовые потери для одного происшествия (в евро)

Производство полупроводников (*) 3,8 млн. (5,3 млн. долларов)

Финансовые операции (*) 6 млн. (8,4 млн. долларов)

Компьютерный центр (*) 750 000 (1 млн. долларов)

Телекоммуникации (*) 30 000 (42 000 долларов)

Сталелитейная промышленность (*) 350 000 (490 000 долларов)

Стекольная промышленность (*) 250 000 (350 000 долларов)

Морские платформы 250 000 – 750 000 (350 000 – 1 млн. долларов)

Дноуглубление / мелиорация 50 000 – 250 000 (70 000 – 350 000 долларов)

53

го контура. В системах с разомкнутым контуром измеряется ток нагрузки и обра-батывается полученное значение, инвер-тированный сигнал используется для управления мостом с биполярным транзи-стором с изолированным затвором (IGBT). Так как отсутствует обратная связь, полу-чаемый ток в линии обычно содержит по-грешности, которые не выявляются систе-мой управления.

Преимущества использования системы с замкнутым контуром по сравнению с си-стемой с разомкнутым контуром [3]:– Системы с замкнутым контуром позво-

ляют компенсировать погрешности контура управления, а также реакций на внешние возмущения. В системах с ра-зомкнутым контуром нет такой возмож-ности.

– Системы с замкнутым контуром могут реагировать столь же быстро, как и си-стемы с разомкнутым контуром, при ус-ловии, что параметры контура управле-ния заданы для их характеристик.

Подход частотной области является более предпочтительным, чем подход времен-ной области, далее объясняется почему.

Для подхода временной области компо-нент основной частоты удаляется из изме-ренного сигнала тока. После этого остаю-щаяся форма сигнала инвертируется и используется для управления мостом IGBT активного фильтра. При данном подходе игнорируется тот факт, что характеристи-ки сети различаются для разных частот, а также различаются характеристики транс-форматора тока и системы управления. При использовании данного подхода к управлению рабочие характеристики ак-тивного фильтра ухудшаются с повышени-ем частоты. При использовании подхода частотной области каждая гармоника и соответствующая ей характеристика си-стемы обрабатываются по отдельности, и рабочие характеристики могут быть опти-мизированы для гармонических компо-нентов в полосе частот фильтрации. В ре-зультате этого одинаковые (высокие) характеристики фильтрации могут под-держиваться для всей полосы частот фильтрации. Принцип использования для фильтрации подхода частотной области описан в рис. 4.

Наилучшие результаты фильтрации полу-чаются при использовании активного фильтра с системой управления с замкну-тым контуром и с индивидуальным подхо-дом частотной области. Такие фильтры

С целью получения эффективных характе-ристик во всем диапазоне частот фильтра, критически важны два аспекта управле-ния, оба из которых могут быть реализо-ваны в PQF:

– Использование системы управления с замкнутым контуром

– Использование частотной области для обработки и регулирования искаженно-го тока.

Для активных фильтров аспекты замкну-того и разомкнутого контуров связаны с местом, в котором должны быть установ-лены измерительные трансформаторы тока активного фильтра рис. 3.

В системах с замкнутым контуром изме-ряется ток перед местом соединения на-грузки и фильтра, и выполняются коррек-тирующие действия. Любые погрешности измерений или другие неточности могут автоматически компенсироваться благо-даря использованию концепции замкнуто-

сети, поэтому она не может быть гаран-тирована. Таким образом, при исполь-зовании пассивных фильтров практиче-ски невозможно гарантировать соблюдение нормативных требований.

По этим причинам во всем мире для си-стем низкого и среднего напряжения на-блюдается тенденция перехода от пассив-ных фильтров к активным.Наиболее распространенные активные фильтры представляют собой электроо-борудование на основе силовой электро-ники, которое подключается параллельно нагрузкам, создающим искажения рис. 2.

Контроллер фильтра качества электроэ-нергии (PQF) АББ анализирует гармоники тока в линии, а также требования потреби-теля. Затем для частоты каждой гармони-ки он может генерировать ток гармониче-ской составляющей (компенсационный ток), противоположный по фазе измерен-ному току искажений.

Так как PQF не действует в соответствии с обычным принципом низкого полного со-противления для гармоник, используемым пассивными фильтрами, на него не влияют изменения параметров сети и не может наступить перегрузка. Кроме того, по сравнению с блоками пассивных филь-тров, блоки активных фильтров можно легко расширять.

Сегодня для систем низкого и среднего напряжения наблюда-ется тенденция перехо-да от пассивных филь-тров к активным.

2 Схема соединений для наиболее распространенных активных фильтров

Питание

Активный фильтр

Нагрузка

Только общие принципы iискажение

iкомпенсация

3 Принцип действия активных фильтров с замкнутым и разомкнутым контуром

Распространение искажений

Распространение искажений

Замкнутый контур

Разомкнутый контур

4 Принцип фильтрации в частотной области

Ток питания Ток нагрузки Ток фильтра

= +





низковольтной стороны куста будет составлять 12 процентов, а ток гармонических искажений (THDI) – 27 процентов рис. 6.

При использовании активных фильтров значение THDV уменьшится до 2 процентов, а THDI – до 3 процентов рис. 7.

В целом, качество электроэнергии для кустов значительно повысится, что позволит использовать оборудование с соблюдением пределов, установленных стандартом IEEE 519, будет обеспечена надежная работа оборудования различных кустов.

Во втором примере рассматривается качество электроэнергии на борту судна рис. 8. На рассматриваемом судне имеется силовая электроустановка, состоящая из двух генераторов, мощность каждого составляет приблизительно 600 кВА. Основными нагрузками являются два гребных агрегата с электродвигателями постоянного тока. До использования компенсации значение THDI составляло приблизительно 25 %, а соответствующе значение THDV приблизительно 22 %. Значение cos ϕ для установки составляет приблизительно 0,76. Типичное потребление топлива судном находится в диапазоне 14 000-15 000 литров в месяц.

Заказчик предъявил следующие требования:– Уменьшить содержание гармоник до

приемлемого уровня, чтобы избежать технических проблем с гребными агрегатами.

– Обеспечить компенсацию реактивной мощности без риска перекомпенсации.

Для достижения этих целей выбрали и установили активные фильтры АББ. Полученная от заказчика информация оказалась очень обнадеживающей, так как технические проблемы были устранены, и появилась возможность экономии приблизительно 10 процентов расходов на топливо. В годовом исчислении у заказчика появилась потенциальная возможность экономии приблизительно 18 000 литров топлива. Это стало возможным благодаря повышению качества сети и более частому выключению одного генератора.

Как видно из предыдущих примеров, проблемы качества электроэнергии часто возникают в промышленных сетях в связи с присутствием заметного количества

индуктивные, так и емкостные нагрузки.

– Может выполняться точное симметрирование нагрузки, позволяющее разгружать нейтральные системы и обеспечивать минимальные уровни тока между нейтралью и землей. Также может обеспечиваться симметрирование нагрузки, контролируемой, например, источником бесперебойного питания. В рис. 5 приводится пример симметрирования с использованием активного фильтра PQF АББ с системой управления с замкнутым контуром.

В дополнение к функциональным аспектам более совершенные активные фильтры, например, фильтры АББ, имеют функции, минимизирующие потери при работе оборудования и повышающие надежность установки. Это связано с наличием ценных вторичных функций (например, функции автоматического изменения параметров при повышении температуры и т. д.).

Результаты практического применения Активные фильтры PQF и другое оборудование АББ для повышения качества электроэнергии имеет несколько областей применения.

Например, при эксплуатации нефтяного месторождения имеется одна центральная энергетическая установка, питающая много кустовых насосных станций. Подавляющее большинство нагрузок представляют собой приводы переменного тока. Имеется приблизительно 40 кустов, нагрузка каждого составляет приблизительно 2 МВт. Без использования активных фильтров напряжение гармонических искажений (THDV) с

Наилучшие результаты фильтрации получают-ся при использовании активного фильтра с системой управления с замкнутым контуром и с индивидуальным подходом частотной области.

5 Пример применения активного фильтра с замкнутым контуром для симметрирования нагрузки

L1: 49.1 А ср. кв.

L2: 5.3 А ср. кв.

L3: 5.1 А ср. кв.

N: 44.1 А ср. кв.

N: 3.5 А ср. кв.

L1: 19.6 А ср. кв.

L2: 19.4 А ср. кв.

L3: 19.5 А ср. кв.

Примечание: Верхние данные: исходная несимметричная нагрузка Нижние данные: работает активный фильтр и симметрирует токи

также обладают следующими преимуще-ствами:– Требования пользователя могут быть

заданы для каждой гармоники (напри-мер, стандартные нормативные требования).

– Отдельные гармоники можно выбирать с целью оптимального использования ресурсов фильтра (например, нет необходимости отфильтровывать пятую гармонику, если она уже была отфильтрована другим имающимся устройством фильтрации).

– Могут быть заданы и поддерживаться точные значения cos ϕ. Это позволяет использовать такие активные фильтры для применений, в которых требуется точно регулировать значение cos ϕ, чтобы избежать нарушений в работе системы (например, отключения генератора). Активные фильтры АББ могут компенсировать как

55

электроэнергии снизилось настолько, что напряжение стало нестабильным. Простое изменение эксплуатационных режимов нагрузок в одной части здания влияло на работу других нагрузок в других помещениях. Безусловно, это было неприемлемым, так как могло привести к потере клиентов вследствие низкого уровня сервиса. Все эти проблемы удалось устранить после установки фильтрующего оборудования компании АББ.

Курт Шипман Франсуа Делинк ABB Power Products Шарлеруа, Бельгия [email protected] [email protected]

Литература[1] Европейский институт меди (2002 г.).

Исследование качества электроэнергии в Европе.

[2] IEEE C57.110-2008: Методические рекомендации IEEE по установлению возможностей трансформаторов обеспечивать не синусоидальные токи нагрузки. 2008 г.

[3] Kuo, B.C. Automatic Control Systems (Системы автоматического управления). John Wiley & Sons, Inc. Нью-Йорк, США.

эксплуатации изделий и/или техники безопасности.

– Емкостное значение cos ϕ в связи с использованием современного серверного оборудования, что приводит к необходимости снижения параметров источников бесперебойного питания и т. д.

В качестве примера коммерческого применения можно привести качество электроэнергии в престижном многозвездочном отеле. В отеле имеются помещения для гостей, номера, конференц-залы и бизнес-центры. Типичными нагрузками будут высокоскоростные лифты, выключатели с плавной регулировкой освещения и другое сложное световое оборудование, а также типичное офисное оборудование, включая ПК, принтеры и т.д. В результате всех этих нагрузок качество

создающих искажения нагрузок. Качество электроэнергии также будет важным и для коммерческих применений. В таких случаях присутствуют много однофазных создающих искажения нагрузок, которые создают следующие проблемы:– Повышенные гармонические нагрузки

для оборудования, которое обычно более уязвимо, чем промышленное оборудование.

– Возбуждение резонансов вследствие присутствия компонентов 3-й гармоники в сочетании с батареями конденсаторов с неправильно выбранным расстроенным дросселем или вообще без такового.

– Токи нейтрали, превышающие допустимые значения для проводника нейтрали и соединительных шин.

– Слишком высокие напряжения между нейтралью и землей, которые не могут быть приемлемыми с точки зрения

8 Компания АББ снизила потребление топлива данным судном на 10 процентов

Активные фильтры PQF компании АББ имеют дополнительные функ-ции, минимизирующие потери при работе оборудования и повы-шающие надежность установки.

6 Формы колебаний напряжения (вверху) и тока (внизу) на низковольтной стороне оборудования куста до фильтрации

Форма колебаний записана 22/11/01 в 10:25:43.533

10:25:43.72 10:25:43.73 10:25:43.74 10:25:43.75 10:25:43.76 10:25:43.77 10:25:43.78

750

500

250

0

-250

-500

-750

3,000

2,000

1,000

0

-1,000

-2,000

-3,000

Вол

ьтА

ср

. кв

.

CHA Volts

CHB Volts

CHC Volts

CHA Amps

CHB Amps

CHC Amps

7 Формы колебаний напряжения (вверху) и тока (внизу) на низковольтной стороне оборудования куста после фильтрации

Форма колебаний записана 22/11/01 в 10:41:55.533

10:41:55.72 10:41:55.73 10:41:55.74 10:41:55.75 10:41:55.76 10:41:55.77 10:41:55.78

3,000

2,000

1,000

0

-1,000

-2,000

-3,000

А с

р.

кв.

CHA Volts

CHB Volts

CHC Volts

CHA Amps

CHB Amps

CHC Amps

750

500

250

0

-250

-500

-750

Вол

ьт



КНУТ МАРКВАРТ, ТОН ХАСДИЙК, ГБ ФЕРРАРИ, РАЛЬФ ШМИДХАЛЬТЕР – В отрасли судоходства портовые территории и

акватории признаны главным объектом, где возможны значительные сокращения выбросов и загрязнений. С учетом

этого, руководство портов, судовладельцы, компании-поставщики и органы контроля и надзора сосредоточили внимание

на разработанной десять лет назад технологии, известной как “поставка электроэнергии с берега на суда”. Институт

инженеров по электротехнике и электронике (IEEE), Международная организация по стандартизации (ISO) и

Международная электротехническая комиссия (МЭК) уже готовы утвердить всеобщие стандарты по электротехнике,

разработанные для этой технологии. Благодаря применению береговой силовой установки коммерческие суда,

заходящие в порт, могут отключать свои дизельные двигатели и подсоединяться к более чистым источникам

электропитания. После успешного, впервые в мире, оснащения шведского порта Гётеборг системой подачи

электроэнергии с берега на суда в 2000 году, компания АББ присоединила к своим активам не только новую технологию,

но и практический опыт полного монтажа соединительной арматуры питающей линии, как на берегу, так и на судне.

Готовое техническое решение АББ способствует эффективному сокращению выбросов и загрязнений в портовых зонах

Поставка электроэнергии с берега на суда

57Поставка электроэнергии с берега на суда

Технология поставки электроэнергии с бере-га на судно, разрабо-танная компанией АББ, позволяет экономить до 20 тонн топлива на большом круизном лайнере и сократить выбросы СО2 во время 10-часовой стоянки в порту на 60 тонн.

Ссылки1 Технология поставки электроэнергии с берега

на судно известна также как «cold ironing», береговое энергоснабжение судов («onshore power supply»), альтернативное энергоснаб-жение судов («alternative maritime power», AMP), подсоединение к береговой силовой установке («shore connection»); применяются и другие термины.

серы в топливе способствовали укрепле-нию экономической аргументации в поль-зу энергоснабжения из береговых источ-ников питания без формальных санкций или явно выраженной поддержки.

Нормативные акты в области берегово-го энергоснабжения судовПоскольку органы контроля и надзора осознают возрастающую степень влияния загрязнения окружающей среды вслед-ствие эксплуатации плавучих средств на здоровье населения, а также на увеличе-ние расходов, эта отрасль промышленно-сти привлекает все больше внимания. В конце 1980-х гг. Международная морская организация ООН сосредоточила внима-ние на проблеме экологического воздей-ствия судоходства (проблема предотвра-щения разливов нефти была поднята значительно раньше). Национальные и муниципальные власти и портовое руко-водство также начали принимать меры по контролю выбросов судов. В настоящее время нет законов или пра-вил, обязывающих суда подсоединяться к береговым источникам электропитания во время стоянки в порту, однако утвержде-ние стандартов на технологии берегового энергоснабжения может стать эффектив-ным стимулом их активного внедрения.

Нормативные акты в ЕвропеВ 1970-х гг. в Северной Европе началось

бления электроэнергии во время стоянки. Для подсоединения и отсоединения судна требуется всего 15 минут, а управление подачей питания и контроль его расхода осуществляет портовый оператор. Организация подсоединения судна к бере-говой силовой установке неизбежно вле-чет расходы, как со стороны судовладель-цев, так и со стороны руководства порта или операторов терминала, – в форме мо-дернизации и переоборудования суще-ствующих объектов, либо строительства новых объектов (см. рис. 1). На судне по-требуется установка дополнительного распределительного щита, прокладка ка-белей на центральный корабельный щит управления и, в большинстве случаев, монтаж понижающего трансформатора. В порту потребуется соорудить подстанцию, оснащенную выключателями и разъедини-телями, автоматическим заземлителем, трансформатором, защитной аппарату-рой, например, релейной защитой транс-форматора и фидера, средствами связи судового и берегового оборудования, и, в большинстве случаев, преобразователь частоты для адаптации частоты тока ло-кальной энергосистемы к параметрам электросети любого корабля. Кроме того, либо в порту, либо на судне должна быть установлена система кабельного менед-жмента. Данная технология общедоступна и с уче-том безусловного сокращения выбросов углекислого газа на береговой силовой установке, а также предстоящего приве-дения технологии в соответствие с требо-ваниями стандартов. Такое техническое решение вызывает интерес. Эта техноло-гия все чаще упоминается в нормативных актах и становится предметом обсужде-ния в Евросоюзе, США и Международной морской организации - специализирован-ного учреждения ООН по техническим во-просам, связанным с международным торговым судоходством. В соответствии с Директивой Еврокомиссии 2005/33/EG, вступившей в силу 1 января 2010 г., на суда, использующие электроэнергию бе-реговых силовых установок, не распро-страняется требование использования су-дового топлива с низким содержанием серы во время стоянки в порту. В США штаты один за другим вводят соответству-ющие законы. В Калифорнии, которая всегда на переднем крае законодательно-го регулирования, для некоторых типов судов введено требование обязательного подсоединения к береговым источникам электроснабжения. Принятые на уровне Международной морской организации ООН новые ограничения по содержанию

Б олее 90% мировых грузовых пе-ревозок осуществляется морем. Морские перевозки являются чрезвычайно эффективным спо-

собом транспортировки с низкими, по сравнению с автотранспортными, и еще более низкими, по сравнению с воздуш-ными перевозками, выбросами углекисло-го газа. Эта отрасль все-таки несет анало-гичную ответственность в количестве 4% глобального объема выбросов углерода (на долю авиации приходится 2%). Техно-логия поставки электроэнергии с берега на судно, разработанная компанией АББ 1, позволяет экономить до 20 тонн топли-ва на большом круизном лайнере и сокра-тить выбросы СО2 во время 10-часовой стоянки в порту на 60 тонн, что эквива-лентно совокупному годовому объему вы-бросов 25 автомобилей европейского стандарта. В таком свете возрастание ин-тереса к поставкам электропитания с бе-рега на суда не вызывает удивления не только в контексте защиты окружающей среды, но и из экономических соображе-ний. При наличии береговой силовой уста-новки корабль может отключить двигате-ли, не прекращая обслуживание судна. Например, выполнения погрузочно-раз-грузочных работ, бытового обеспечения и прочей деятельности, требующей потре-


форния) достигло значительно более вы-соких результатов усилий, направленных на обязательное береговое энергоснаб-жение судов, встающих в доки, хотя при этом обсуждаются и другие технологии. Согласно требованиям Агентства контей-нерные, пассажирские и рефрижератор-ные суда должны либо выключить вспомо-гательные двигатели почти на все время стоянки в калифорнийском порту и подсо-единиться к другому источнику питания (например, на базе энергосистемы), либо использовать другие методы, оборудова-ние и средства, обеспечивающие сопоста-вимое сокращение выбросов. Сначала эти меры распространялись только на отдельные типы плавучих средств и на флотилии, которые заходят в калифорнийские порты не менее 25 раз в год. Начиная с 1 января 2010 г., все суда, имеющие технические возможности под-соединения к береговой силовой установ-ке и входящие в состав одной из упомяну-тых флотилий, должны использовать электроэнергию из береговых источни-ков, при условии наличия ресурсов элек-троэнергии в порту и совместимости па-раметров питания с корабельным оборудованием. До 2014 г. должны быть отменены все разрешения допуска судов, не оснащенных для поставки электроэ-нергии с берега и установлены ограниче-ния по выработке энергии вспомогатель-ными двигателями флотилии в объеме 50% во время стоянки в доках. В 2017 г. 70% судов флотилии должны использо-вать электропитание из береговых источ-ников, а выработка энергии вспомога-тельными двигателями судов должна быть сокращена на 70%. В 2020 г. этот показа-тель должен быть увеличен до 80%. Законодательные инициативы ММО ООН, Евросоюза и Калифорнии стимулировали нормотворчество в других регионах, на-пример, в остальных штатах США и азиат-ских государствах. В общем смысле, мож-но рассчитывать на то, что органы контроля, надзора и регулирования уста-новят самые жесткие нормы выбросов су-дов в портах, поднимут налоги для источ-ников загрязнений и предоставят льготы при использовании энергии от береговых силовых установок, открывая, таким об-разом, возможности для таких компаний, как АББ, способных предложить готовые решения по поставке электроэнергии с берега на суда.

Оценка экономического эффекта Руководство портов и судовладельцы ис-пытывают затруднения, когда нужно сде-лать выбор между технологией поставки

правленных на борьбу с экологическим загрязнением, а скорее, во всеобъемлю-щем достижении поставленных целей. В отношении выбросов опасных веществ при эксплуатации судов, европейское за-конодательство уделяет первостепенное внимание сокращению опасных для здо-ровья выбросов непосредственно в райо-нах, прилегающих к портам или главным морским путям, но также планируется ох-ват остальных регионов. Кроме того, за-конодательные инициативы проявляются под давлением таких факторов как долго-срочные и масштабные последствия кис-лотных и дисперсных загрязнений. (В от-ношении судоходства выбросы СО

2 не рассматривались как критический фак-тор, поскольку их опасность для здоровья в конкретной местности незначительна по сравнению с воздействием выбросов дис-

персных частиц). Проблему изучали и в Евросоюзе и на уровне ММО, в особенно-сти в контексте торговли квотами на вы-бросы СО2, однако пока что каких-либо определенных результатов нет.

Нормативные акты в СШАПо сравнению с Евросоюзом, Агентство по охране окружающей среды ЕРА (Кали-

1 Общая схема подсоединения корабля к береговой силовой установке

Центральная подстанция питающей линии

Силовые кабелиБереговая подстанция

Терминал на причале

Корабельная энергети-ческая установка

~

~~

Одним из основных преимуществ поставки электропитания на суда из береговых источни-ков являются экологиче-ские характеристики выработки электроэнер-гии наземными силовы-ми установками в проти-воположность судовым дизельным двигателям, работающим на флот-ском мазуте.

широкомасштабное картографическое описание глобальных выбросов загрязня-ющих веществ. В результате исследова-ния полученных данных, первые меры по снижению опасности выбросов для здо-ровья населения, например, выпадения кислотных осадков как последствия эко-логического загрязнения, были ориенти-рованы на наземные источники загрязне-ния. В 1980х гг. в центре внимания оказались энергетические установки и автомобильные пассажирские и грузовые перевозки. Поскольку при проведении ис-следований в прибрежных зонах и вдоль важнейших морских путей, например, Ла-Манша, была выявлена неожиданно высо-кая концентрация загрязняющих веществ, которую невозможно отнести на счет из-вестных источников загрязнения, стало очевидным, что значительный объем за-грязняющих веществ создается судами, осуществляющими международные тран-зитные перевозки. В 1988 г. Швеция и Норвегия представили результаты прове-денных исследований в Международную морскую организацию. Спустя почти 10 лет была одобрена Конвенция ММО ООН, которая ввела ограничения на содержа-ние загрязняющих веществ в судовом то-пливе (Дополнение VI к Конвенции MARPOL). Эта конвенция вступила в силу в 2005 г.Вместе с ММО меры по сокращению опас-ных выбросов предпринимает и Евросоюз. В 2001 и 2002 гг., когда Евросоюз разраба-тывал стратегию решения проблемы эко-логического загрязнения вследствие экс-плуатации судов, перспективы поставки электроэнергии с берега на суда уже об-суждались. В результате была разработана директива, обязывающая суда во время стоянки в портах Евросоюза использовать судовое топливо с максимальным содер-жанием серы 0,1%. В директиве оговорен ряд исключений, одним из которых являют-ся суда, использующие электроэнергию береговых силовых установок. Суть политики, которой придерживается Евросоюз, состоит не в том, чтобы оказы-вать содействие одной из технологий, на-

59

Наконец, поставки электроэнергии с бе-рега на суда можно легко варьировать. Капиталовложения в инфраструктуру со-храняют стабильность в течение десяти-летий при долгосрочной прибыли и срав-нительно низких эксплуатационных расходах. В любом новом порту, который вкладывает средства в оборудование для подачи питания на суда из береговых ис-точников, стоимость переоценки техноло-гии возрастает на порядок по мере воз-растания количества судов, использующих эту технологию.Доводы, направленные против поставок электропитания с берега на суда, связаны с происхождением энергии с береговых установок, объемом капиталовложений в инфраструктуру, факторами безопасно-сти и эффективности работ при оборудо-вании порта и необходимостью примене-ния технологий, которые также влияют на выбросы, когда судно находится в плава-нии. Результаты исследований показыва-ют, что при использовании электропита-ния из береговых источников, работающих на угольном топливе, вместо электропита-ния, выработанного судовыми дизельны-ми двигателями, достигается весьма низ-кий экологический эффект (вследствие увеличения выброса дисперсных загряз-нений и, возможно, сернистого ангидри-да), в то время как использование других видов энергии обеспечивает значительно лучшие результаты. В частности, исполь-

зование энергии из возобновляемых ис-точников способствует улучшению эколо-гических характеристик деятельности операторов. Себестоимость инвестиций в инфраструк-туру береговых энергетических установок весьма значительна, а схема определения доли участия государственных органов, операторов порта или терминала и судов-ладельцев в этих расходах пока не созда-на. Например, в порту Гётеборг фрахтова-тель судна, полный решимости улучшить экологические характеристики своей це-почки поставок, инвестировал в инфра-структуру. В порту Лонг-Бич и порту Лос-

лиц. Меры по улавливанию выбросов вспомогательных дизельных двигателей могут применяться в любой точке мира на протяжении всего времени плавания, но при этом исключаются любые действия местных или региональных властей.Что касается портов, то перспектива по-ставки электроэнергии на суда предостав-ляет возможность их оборудования более эффективной и мощной комплексной си-ловой установкой для общего пользова-ния. Применение современных преобра-зователей частоты обеспечит как стабилизацию ло-кальной сети высо-кого напряжения, так и повышение к о э ф ф и ц и е н т а мощности. По сути это означает сокра-щение потерь мощ-ности в локальной энергосистеме. Еще одним преиму-ществом поставок электроэнергии из береговых источников по сравнению с другими технологиями, направленными на борьбу с экологическим загрязнением, является снижение шума и вибрации на территории порта. Это вызовет одобрение мореплавателей, пассажиров, судовых команд, портовых рабочих и населения жилых массивов вблизи порта, в особен-ности крупного. Некоторые порты при оформлении разрешений природоохран-ных органов сталкиваются с наложением ограничений на расширение в связи со слишком высоким уровнем выбросов, шума или вибрации, за которые ответ-ственны операторы портовых терминалов.

электроэнергии с берега на суда и другими конкурентоспособными технологиями, ориентированными на борьбу с экологиче-ским загрязнением. Нужно также учиты-вать специализацию судна, например, па-ром, который бывает в порту каждый день, и контейнерное судно, которое заходит раз в месяц, – это не одно и то же. Поэтому инвесторам сложно рассчитать доход-ность капиталовложений в долгосрочной перспективе из-за изменений в законода-тельстве. На расчеты также влияют коле-бания цен на флотское топливо2 по срав-нению со стоимостью электроэнергии береговых силовых установок. Одним из основных преимуществ постав-ки электропитания на суда с береговых источников являются экологические ха-рактеристики выработки электроэнергии наземными силовыми установками в про-тивоположность судовым дизельным дви-гателям, работающим на флотском мазу-те. В целом, если сократить выработку энергии до такого уровня, когда останется минимальное количество ее поставщиков, можно было бы эффективно и без затруд-нений оптимизировать их деятельность в целях снижения воздействия на окружаю-щую среду. Еще одним аргументом в пользу поставки электроэнергии с берега на суда является подведомственное преимущество. При обустройстве береговых энергетических установок органы контроля и надзора мо-гут решить конкретную местную проблему экологического загрязнения с позиций конкретно заинтересованных местных

Еще одним преимуществом поставок электроэнергии из береговых источ-ников по сравнению с другими техно-логиями, направленными на борьбу с экологическим загрязнением, явля-ется снижение шума и вибрации на территории порта.

Ссылки2 Флотское топливо – это любое топливо,

используемое на борту корабля.

Полностью оснащенная судовая система, с панелью высоковольтной соединительной арматуры и кабельным барабаном

Точка подсоединенияпотребителя 6,6 кВ / 11 кВ

Подстанция (оснащенная преобразователем частоты 50/60 Гц)

Высоковольтный подземный кабель (длина 1–5 км)

Береговаятрансформаторная подстанция

2 Общая схема береговой силовой установки

Поставка электроэнергии с берега на суда


3 Оборудование для поставки электроэнергии с берега уже установлено на различных типах судов, в том числе на нефтеналивных танкерах, контейнерных и круизных судах.

Решения для берегового обустройстваНачиная с 2000 года, оборудование для поставки электроэнергии с берега на суда было установлено примерно на 24 порто-вых терминалах в разных странах мира, а также более чем на 100 судах, от круизных лайнеров до нефтяных танкеров и контей-нерных судов (см. рис. 3). Операторы и судовладельцы множества других портов занимаются оценкой объема капиталовло-жений в эту технологию и ждут утвержде-ния всеобщих стандартов на подведение электроэнергии из береговых источников. Утверждение и инвестирование инфра-структуры береговых энергетических установок проводится с ограничениями из-за отсутствия всеобщих стандартов. Общедоступные технические условия уже опубликованы и используются судовла-дельцами и руководством портов для оценки стоимости обустройства. Суще-ствующие технические решения разраба-тывались в основном на основе этих спец-ификаций. Нормативные и регулятивные мероприя-тия, проведенные местными, националь-ными и международными органами и на-правленные на стимулирование внедрения технологии поставки электроэнергии с берега на суда, включают определение размера налогов на органическое топли-во, утверждение требований на судовое топливо и введение условия берегового энергоснабжения судов (или других вари-антов, обеспечивающих сопоставимое со-кращение выбросов).В большинстве случаев поставка электро-энергии с берега на судно является удоб-ным и эффективным средством сокраще-ния выбросов опасных веществ на территории интенсивно эксплуатируемых портов. Технология доступна для эксплуа-тации, однако ее внедрение ограничено до

тех пор, когда она будет использоваться множеством портов и множеством судов.Компания АББ разработала масштабируе-мые и гибкие монтажные решения, отве-чающие требованиям судовладельцев и портов. В рамках технического решения поставки электроэнергии с берега на суда компания АББ разработала береговую и судовую соединительную арматуру и со-ставила перечень реализованных проек-тов, использующих эту технологию, наря-ду с лишь несколькими другими мировыми компаниями. В пределах 6–12 месяцев можно спроектировать и оборудовать одну или несколько точек подсоединения потребителя. Для проектирования берего-вых сооружений потребуется несколько месяцев, а их монтаж можно провести в течение недели. Несомненно, введение всеобщих стандар-тов повлечет значительный рост инвести-ций в инфраструктуру и, таким образом, стимулирует подготовку еще большего ко-личества судовладельцев и руководства портов к переходу на поставку электропи-тания с береговых силовых установок. Уже сейчас наблюдается увеличение коли-чества проектов по расширению портов во всем мире. Располагая экологически безопасным и эффективным техническим решением по береговому электроснабже-нию судов, компания АББ полностью гото-ва к поставке нужных технологий. В целях обеспечения соответствия своих предло-жений по оснащению портов потребно-стям рынка, компания АББ продолжает сотрудничество с заказчиками во всех ми-ровых регионах.

Более подробное обсуждение технологий, использованных в техническом решении компании АББ для энергоснабжения судов от береговых силовых установок, будут опубликованы в следующем выпуске АББ Ревю.

Кнут Маркварт

Компания АББ, отдел маркетинга и решений для

заказчиков

[email protected]

Тон Хасдийк

Компания АББ, отдел решений для судоходства

[email protected]

ГБ Феррари

Компания АББ, отдел решений для береговых

объектов

[email protected]

Ральф Шмидхальтер

Компания АББ, отдел решений для преобразовате-

лей частоты

[email protected]

Более подробная информация

www.abb.com/ports

Компания АББ разра-ботала масштабируе-мые и гибкие монтаж-ные решения, отвечающие требова-ниям судовладельцев и портов.

Анджелес, владельцами которых являются муниципальные органы власти, инфра-структура портов финансируется за счет налогоплательщиков. Как бы там ни было, по мере роста затрат на контроль выбро-сов и увеличения количества нормативных актов по их предотвращению, поступление средств как из частных, так и из обще-ственных источников будет возрастать.Проблемы безопасности и эффективно-сти при оснастке порта также очень акту-альны. Контейнерные терминалы, обору-дованные огромными перемещающимися козловыми кранами, создают проблемы в аспекте прокладки кабелей и обустрой-ства береговой инфраструктуры. Порты всегда испытывают дефицит свободного пространства. Кроме того, руководство портов и судовладельцев беспокоит опас-ность несчастных случаев или смертель-ных исходов в связи с выполнением работ по подведению электропитания. Ослабить это беспокойство поможет введение жестких стандартов на подведение элек-троэнергии с береговых установок и вне-дрение технических решений для обеспе-чения безаварийной работы в доках и безопасной прокладки кабелей.

61Указатель 2010

АББ Ревю 1|10 АББ Ревю 2|10

6 Интеллектуальное электричествоЭффективная энергия для рационального мира

10 Следующий уровень эволюцииТехнологии Smart grid для рационально используемой энергии

16 Энергия для измененийPCS 6000 STATCOM

20 Рациональные связиЛинии HVDC для интеллектуальной сети

24 Хранилище обеспечивает стабильность Следующее поколение систем FACTS

27 Интеллектуальное управлениеИнтегрированные инновации SCADA/DMS помогают операторам электросетей

33 Передача данныхСети передачи данных для интеллектуальных электросетей

38 Замыкая обратную связьИнтеллектуальные системы управления распределением электроэнергии

44 Интеллектуальная работа в командеСотрудничество с признанными исследовательскими учреждениями

49 Надежность поставки энергииКомпенсаторы SVC ослабляют лавины напряжения

57 Разъединение, превосходящее ожиданияПрерыватель с залитыми полюсами PT1

63 Работать и через 50 летTrafoAsset Management™ – упреждающее обслуживание

70 Спрятанное сокровищеИспользование информации приводов для диагностических целей

76 Интеллектуальные измеренияМониторинг потребления энергии

79 Цвета интуитивного управленияРешения для управления зданиями и помещениями

6 АББ, железные дороги и транспортКоротко о предлагаемом ассортименте компании

8 Решения для рельсового транспорта – ответ на потребность в мобильностиИнтервью UNIFE – АББ

14 По быстрой колееСкоростные поезда

19 Железнодорожная революция в КитаеПреобразование сети железных дорог Китая

24 Экологичные железные дороги для ИндииМодернизация железных дорог Индии

31 Швейцария на рельсахТяговая электроэнергия для железных дорог

35 Факты о системах FACTSFACTS в системах питания рельсового транспорта

42 Статические преобразователи, динамичная работаПреобразователи частоты для электрификации железных дорог

48 Добиваясь успехаНаружные вакуумные автоматические выключатели FSK II

51 Трансформация идей в движениеСухие трансформаторы с залитыми в вакууме обмотками

55 Трансформация пригородного транспортаТяговые трансформаторы для пригородных поездов

60 Подходят превосходноТяговые преобразователи для транспортных машин всех конструкций

66 Стандартизация тягового электродвигателяМодульные индукционные тяговые электродвигатели

70 Специальное сервисное обслуживаниеШирокий ассортимент сервисных услуг компании АББ

77 Начало новой эрыУстройства зарядки электромобилей

82 Электроэнергия с берегаРешения по передаче энергии с берега на судно

84 S3 – скорость, безопасность и экономичностьСверхбыстрый заземляющий выключатель для распределительного устройства среднего напряжения

88 История электрификацииРазработка электрифицированных железных дорог в компании АББ

Интеллектуальные сети

Железные дороги и транспорт


АББ Ревю 3|10 АББ Ревю 4|10

6 Снижение выбросов углеродаАнализ окупаемости вложений в экологию при использовании приводов

10 Построено для повышения эффективностиЭкологичное строительство АББ в Южной Африке

14 Привод для победыТехнология прямого управления моментом

19 Прокладывая курсЭлектрическая тяга на тягово-буксирных судах

23 Навстречу ветруПарк ветроустановок Alpha Ventus

27 Полупроводники без загадокВведение в полупроводниковые технологии

33 Достижение новых уровнейИспытательный центр сверхвысоких напряжений АББ

36 Система защиты от дуги Arc Guard System™Снижение риска поражения электродугой

40 Выключатель-разъединитель (DCB)Подстанции с воздушной изоляцией с выключателями-разъединителями

47 АнкетаПомогите сделать АББ Ревю еще лучше

49 Системы совместной автоматизации процессовСистема 800xA

6 Эффективность работы оператораСистема 800xA для рабочего места оператора

12 Безопасность приводных системФункциональная безопасность в приводах переменного тока

16 Эксплуатационные характеристики в условиях сейсмической активности Углубленный анализ сейсмостойкости объектов энергетики

20 Применение силовой электроники энергокомпаниямиПолупроводники для электросетей

27 Интеллектуальное управление двигателямиКонтроллер UMC100

32 Сберегая лучшее на будущееУстройства плавного пуска и приводы с регулируемой скоростью

40 Простая экстраординарностьСемейство автоматических выключателей Tmax XT

46 Делаем трансформаторы мобильнымиПередвижные трансформаторы на 400 кВ

51 Активное улучшение качестваАктивные фильтры PQF

56 Передача энергии с берега на судноСнижение выбросов в портовой зоне

61 Указатель 2010

Энергия и ресурсы

В центре внимания – производительность

63

Редакционный совет

Петер ТервиешГлава департамента технологийНИОКР и Технологии

Кларисса ХаллерРуководитель Департамента корпоративных коммуникаций

Рон ПопперРуководитель Департамента корпоративной ответственности

Ээро ЯаскелаРуководитель Департамента управления счетами Группы

Фридрих ПиннекампВице-президент, Корпоративная стратегия

Андреас МоглестуэГлавный редактор, АББ Ревю [email protected]

ИздательАББ Ревю опубликовано Департаментом НИОКР и технологий Группы АББ.ABB Asea Brown Boveri Ltd.ABB Review/REVCH-8050 ЦюрихШвейцария

АББ Ревю выходит четыре раза в год на английском, французском, немецком, русском, испанском и китайском языках. АББ предоставляется всем интересующимся технологиями и целями компании АББ. Для подписки обращайтесь к ближайшему представителю АББ или подписывайтесь через Интернет на сайте www.abb.com/abbreview

Частичная перепечатка или воспроизведение разрешаются после полного одобрения. Полное переиздание требует письменного разрешения издателя.

Издатель и авторские права ©2010ABB Asea Brown Boveri Ltd.Цюрих/Швейцария

ТипографияVorarlberger Verlagsanstalt GmbHAT-6850 Дорнбирн/Австрия

ВерсткаDAVILLA Werbeagentur GmbHAT-6900 Брегенц/Австрия

Отказ от обязательствСодержащаяся в настоящем документе информация отражает точку зрения авторов и предназначена только для информационных целей. Читателям не следует действовать на основании этой информации, не получив профессиональной консультации. Мы предоставляем публикации с пониманием того, что авторы не оказывают технических или других профессиональных консультаций и не передают мнений по конкретным фактам или предметам и не несем какой-либо ответственности в связи с их использованием. Компании Группы АББ не дают каких-либо гарантий или обещаний, явных или подразумеваемых, касающихся содержания или точности выраженных в настоящем документе точек зрения.

ISSN: 1013-3119

www.abb.com/abbreview

Инновации – это главная движущая сила технологий. Они приводят к новым решениям как старых, так и новых проблем и предоставляют технологии, прокладывающие путь в области эффективности, производительности или функциональности. Компания АББ в высшей степени привержена инновациям.

С некоторых пор последний выпуск АББ Ревю в каждом году был посвящен инновациям и обычно представлял собой подборку наиболее значительных прорывов компании в области НИОКР, а также запусков в производство важных изделий. Эта особенность теперь перенесена в первый выпуск года. Такая перемена позволит включить инновации, произошедшие в конце года, и позволит создать полную картину достижений за весь календарный год.

Среди представляемых инноваций – новый электродвигатель с высоким КПД, усовершенствования в системах управления и изменяемая по требованиям заказчика концепция освещения для дома.

Технологии и инновации

Анонс номера 1|11

Анонс номера 1|11

Сократить количество выбросов CO2 на 180 млн. тонн в год?

Именно.

Только в 2009 году, приводы, установленные АББ, позволили сократить общее количество выбросов CO2 на 180 млн. тонн. Система управления работой двигателя, которая позволяет регулировать скорость и снижать количество потребляемой энергии, – лишь одно из многих решений АББ, которые позволяют эффективно управлять потреблением энергии, сокращать выбросы углекислого газа и сокращать расходы наших клиентов. www.abb.com/betterworld

Documents

АББ ревю 4 2010