АББ Ревю 1 2011

АББ

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

Инновации

1|11 Корпоративный технический журнал

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

­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­2

AББ Ревю 1|11

Содержание

Инновации

6 12

Распределительные устройства Приводы и конвертеры

18

24

29

36

41

Производительность

47

52

56

Энергия

63

68

73

Вопросник

78

Основные тенденции инноваций 11 лучших инноваций 2011 года Инновации от CLEEN Каким образом сотрудничество помогает исследовательским работам и разработкам АББ Интеллектуальная эволюция Автоматический выключатель eVD4 упрощает и делает работу распределительных сетей среднего напряжения надёжнее Сейсмический выключатель Сертифицированное распределительное устройство для АЭС – важнейшее звено во всей цепи Лидирующие технологии Самый современный привод стана с зубчатым зацеплением производства компании АББ (Часть 1) На берегу и в море Обзор технологий, применяемых, как на береговых сооружениях, так и на судах на примере стандартизации передачи электроэнергии с берега на судно Пятиуровневый преобразователь Технология ANPC-5L и привод ACS 2000 Время собирать урожай Получение энергии для создания полностью автономных устройств для применения в промышленных процессах Искробезопасность Синхронные и индукционные двигатели и генераторы с гарантированной искробезопасной эксплуатацией Движение в будущее Синхронные двигатели, контролируемые частичнорегулируемым приводом, повышают производительность во многих областях промышленного применения Другое альтернативное топливо Энергосбережение – важнейшая составляющая политики устойчивой энергетики на многих электростанциях Нейтрализация бросков сети Решения компании АББ помогают трансформаторам распределительной сети выдерживать резкие изменения напряжения Обмен данными АББ осуществляет первое промышленное применение технологии шины обработки данных по стандарту МЭК 61850-9-2 Результаты нашей работы в читательских отзывах на «АББ Ревю»

Содержание

­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­3

От редакции

Инновации

Петер Тервиш Глава Департамента технологий АББ Ltd.

Уважаемый читатель, Технологии являются определяющим аспектом жизнедеятельности современного общества. Чтобы понять, насколько мы зависим от конкретных технологий, достаточно взглянуть на производственные процессы, от которых мы зависим, или на источники питания, благодаря которым в наших домах горит свет. Отличие завтрашнего мира от сегодняшнего будет в значительной степени зависеть от технологического прогресса и технологий, которые появятся за это время. Благодаря своим научно-исследовательским лабораториям компания АББ, к нашей общей гордости, играет главную, если не сказать решающую, роль в продвижении некоторых из технологий, способствующих такому прогрессу. Для этого номера «АББ Ревю» мы выбрали 11 инноваций, разработанных в лабораториях АББ по всему миру, и написали о них небольшие статьи. Многие из этих инноваций стали предметом дополнительных, более глубоких обсуждений в номерах нашего журнала. Одной из областей, в которых за последние десятилетия произошли большие изменения, стала силовая электроника. Компактные и надёжные полупроводниковые устройства позволяют преобразовывать электроэнергию с беспрецедентной степенью гибкости, эффективности и управляемости. «АББ Ревю» посвящает три статьи приводам и преобразователям. Одна из них посвящена новейшему, отмеченному призами приводу 2000 ACS, первому бестрансформаторному приводу среднего напряжения компании АББ. Двигатели важны практически для всех производственных процессов, они выпускаются в различных версиях для самых разных сфер применения. В одной из статей мы расскажем о двигателях АББ без свечей зажигания и об их значении для предотвращения возгорания. Другая статья рассказывает об экономичных синхронных двигателях АББ. Рассматривая проблему энергосбережения в целом, в этой наводящей на определённые размышления статье авторы предпо-

­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­4

AББ Ревю 1|11

лагают, что снижение выброса CO2 благодаря повышению эффективности электростанций равняется альтернативному топливу, и показывают, как продукция компании АББ может помочь в достижении этой цели. На производственных предприятиях применяются бесчисленные датчики и приводы. Многим из них для работы требуется лишь небольшой объём энергии, но непрерывность такого обеспечения может представлять существенную проблему. Альтернативой проводке или аккумуляторам является извлечение энергии из окружающей среды (например, с использованием термоэлектрических эффектов или колебаний). В «АББ Ревю» этой проблеме посвящена статья об извлечении энергии. В области передачи и распределения энергии компания АББ играла и продолжает играть главную роль в разработке стандарта МЭК 61850 для связи с подстанцией. В «АББ Ревю» отдельная статья посвящена важной вехе: продолжающейся модернизации ряда подстанций в Австралии, что стало первым промышленным применением стандарта МЭК 81850-9-2. Этот подраздел стандарта – важный шаг в области цифровой связи на подстанциях. Другие статьи рассказывают о различных типах распределительных устройств, а также о защите трансформаторов от удара молнии. Я надеюсь, что информация об инновациях, содержащаяся в лежащем перед вами номере «АББ Ревю», увеличит объём ваших знаний об их потенциале и вдохновит на поиск путей их эффективного практического применения. Желаю приятного чтения!

Петер Тервиш, Глава Департамента технологий АББ Ltd.

От редакции

­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­5

Основные тенденции инноваций 11 лучших инноваций 2011 года Концерн АББ постоянно стремится к дальнейшему усовершенствованию и расширению линейки выпускаемой продукции. По всему миру исследовательские и опытные лаборатории компании напряжённо трудятся, создавая технологии, продукцию и решения, которые ещё более увеличат производительность, эффективность и гибкость в работе с

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

Сварочный аппарат с узким корпусом Компания АББ внесла дополнение в семейство роботов средней грузоподъёмности IRB 2600: IRB 2600ID. Буквы ID в названии робота означают «integrated dressing», внутренняя проводка, то есть весь комплект рукава для электродуговой сварки проложен внутри верхнего манипулятора и запястного шарнира робота. Внутренняя проводка – это не просто улучшение внешнего вида робота. Поскольку отпадает необходимость принимать во внимание свисающие кабели, движения робота стали полностью предсказуемы, что облегчает программирование робота и убыстряет его движения. Благодаря своим тонким манипулятору и запястному шарниру, робот может проникать в ограниченные пространства, выполняя такие сложные задачи, как, например, кольцевую сварку без потерь в качестве и скорости.

­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­6

AББ Ревю 1|11

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

У робота IRB 2600ID очень маленькая площадь основания. Радиус основной окружности поворота составляет всего лишь 337 мм, а ширина основания – 511 мм. Для применения в области электродуговой сварки пониженный риск задевания за других роботов позволяет создавать производительные установки высокой плотности с количеством роботов на 50% больше обычного и с производительностью одной гибкой производственной ячейки выше также на 50%. Дополнительную информацию о роботах АББ смотрите на сайте www.АББ.com/robotics

Первое промышленное применение стандарта МЭК 61850-9-2 МЭК 61850 является стандартом, поддерживающим как связь между устройствами, так и обмен данными между автоматикой подстанций. В разделе стандарта МЭК 61850-9-2 описывается обмен аналоговыми значениями на шине обработки данных. Компания АББ в настоящее время осуществляет первое в мире внедрение шины обработки данных. Шина обработки данных представляет собой коммуникационную сеть между основным оборудованием (например, прерывателями цепи и

Скорость и безопасность работы распределительного устройства

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

Введение стандарта МЭК 61850-9-2 сопровождается внедрением эффективных испытательных, диагностических и инструментальных средств.

Более подробную информацию смотрите в главе «Общие ценности» на странице 73 этого номера «АББ Ревю».

Эпоксидная оболочка Неподвижное контактное реле Керамическая оболочка Вакуумное устройство

Мембрана Подвижный контактный штырь Точка разрыва Поршень Цилиндр

Привод

Подвижная контактная сеть Компактный генератор газа (MGG)

Технологии, применяемые при создании широко известного быстродействующего вакуумного прерывателя и самого быстрого в мире ограничителя и переключателя тока «Is-limiter», были скомбинированы для создания системы дугогасителя для нового (классифицируемого как внутренняя дуга) и старого поколений распределительных устройств среднего напряжения, которые работают в сверхбыстром режиме. Система функционирует по принципу предотвращения неконтролируемого выхода энергии из внутренней дуги с помощью быстродействующего трёхфазного металлического заземления. Характеризуемый сравнительно слабым полным сопротивлением,

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

обеспечивает почти моментальное гашение всех дуг. В техническом плане, бесперебойность работы данной системы и безопасность её оператора существенно увеличиваются при номинальном напряжении до 40,5 кВт и номинальной устойчивости при кратковременных токах (1 с) до 63 кА. С экономической точки зрения, расходы на простой и ремонт оборудования, возникшие в результате короткого замыкания, будут существенно снижены при одновременном улучшении бесперебойной работы системы. Более подробную информацию см. в главе «S3 – Скорость, безопасность и экономия» в «АББ Ревю», # 2/2010, стр. 84–87.

Topic Основные тенденции инноваций

­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­7

Компактное и безопасное для окружающей среды распределительное устройство с элегазовой изоляцией (GIS) Компания АББ запустила в эксплуатацию распределительное устройство с элегазовой изоляцией (GIS) серии ENK с номинальным напряжением до 72,5 кВ. Основные характеристики включают уменьшенную на 25 процентов в сравнении с существующими образцами такой же производительности площадь основания и снижение потребляемого газа SF6 на 50 процентов. В серии ENK нашла своё применение новая технология штепсельного выключателя и интеллектуальная технология вторичной коммутации на основе будущих сетевых требований. Другими отличительными особенностями являются упрощённое управле-

Беспроводное и автономное устройство В обрабатывающей промышленности информация, полученная с датчиков-реле, помогает максимально увеличить производительность и обеспечить бесперебойную работу. Подача питания на датчики увеличивает стоимость и сложность монтажных работ. Тогда как аккумуляторы применяются для питания многих беспроводных устройств, их регулярная замена может свести на нет весь эффект, полученный от экономии, достигнутой благодаря широкому применению беспроводных датчиков. Эту проблему можно решить с помощью получения энергии из возобновляемых источников (energy harvesting – EH).

EH представляет собой процесс улавливания и преобразования

­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­8

AББ Ревю 1|11

ние, например, легко доступный с лицевой панели операционный механизм и расположение трансформаторов тока снаружи элегазового отсека. Благодаря штепсельным подключениям к сборной шине и поставкам полностью собранных и протестированных производителем ячеек, ENK GIS можно легко и быстро смонтировать на месте. Устройство предназначено для номинального напряжения до 72,5 кВ, и выпускается для номинального тока до 2500 А и тока короткого замыкания 40 кА в версиях, соответствующих стандартам МЭК и IEEE. Компактный и модульный характер GIS делает его идеальным для установки в ограниченном пространстве, напри-

энергии из внешних источников в ток для маломощных устройств. В число таких источников энергии входят тепловые процессы, солнечная энергия, а также колебания и кинетическая энергия из движущейся окружающей среды или движущихся деталей.

EH может проявляться в форме дискретного процесса, но иногда система ЕН может вырабатывать больше энергии, чем фактически необходимо. В любом случае, необходимы резервные устройства (например, специальные улавливатели, первичные или вторичные источники тока) для случаев, когда устройство извлечения энергии не сможет обеспечить достаточное питание датчика. Также для подлинно автономного обеспечения энергией требуется соответствующая система регулирования питания. Проведённые компанией АББ исследования позволили создать полностью автономный датчик температуры с использованием полностью интегрированной системы EH. В датчик были

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

встроены термоэлектрические генераторы, что также включает интеллектуальное решение регулирования энергии, когда температура технологического процесса недостаточна для производства достаточного количества энергии. Более подробную информацию см. в главе «Время собирать урожай» на стр. 47 этого номера «АББ Ревю».

Система 800xA, версия 5.1 Начиная с момента первого пуска в эксплуатацию в 2004 году, система комплексной автоматизации 800xA компании АББ была внедрена более чем 6 000 заказчиков. Система повысила производительность, обеспечила бесперебойное управление и была внедрена в различные системы. Версия 5.1, выпущенная в 2010 году, усовершенствована, имеет повышенную производительность и эксплуатационную эффективность. Основные преимущества версии 5.1 особенно отчётливо проявляются в инжиниринге и управлении изменениями. Инструмент анализа рабочих заданий позволяет оценивать приложение до его загрузки, показывая, помимо прочего, время задержки и конфликты. Подробный отчёт об изменении данных показывает изменения, внесённые в контрольные приложения и графики.

Новая версия также включает новый контроллер семейства AC800M, PM891, тактовая частота которого выше приблизительно в три раза (450 мГц), а память в четыре раза больше, чем у его предшественника, что делает его наиболее мощным контроллером в этом классе. Виртуализация снижает физическое количество ПК примерно на 75 процентов, что существенно сокращает занимаемую площадь и потребление электроэнергии, а также снижает требования к техническому обслуживанию. Усовершенствования функций управления тревожными сигналами

Модульные выключатели Новые и самые современные технологии помогают в разработке высокоинтегрированных и многоцелевых продуктов. Одно из таких устройств, автоматический выключатель, помогает простому, гибкому и надёжному осуществлению проектов распределительных устройств среднего напряжения. Разработка этого разъединителя стала важным шагом в плане производительности, простоты (он характеризуется малым количеством высоконадёжных компонентов и может быть адаптирован к широкому диапазону просто и быстро устанавливаемого вспомогательного оборудования) и надёжности при использовании в множестве приложений, а также безопасности и экономичности.

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

включает новый порядок размещения сигналов тревоги и особенности анализа, а также усовершенствования в функциональности обмена сигналами тревоги. Также были усовершенствованы безопасность и коммуникабельность. Эти изменения отражают лишь малую часть общих усовершенствований, внедрённых в систему 800xA с помощью версии 5.1. Система 800xA версия 5.1 будет более подробно рассматриваться в следующем номере «АББ Ревю».

Кроме того, оно подходит для любой радиальной распределительной сети. Технология, использованная при разработке датчиков, помогла уменьшить габариты оборудования, увеличить производительность и повысить унификацию. Эта комбинация датчиков и IED сделала возможным точный и надёжный мониторинг, а также регистрацию параметров сети одновременно с обеспечением лучшей защиты как для рабочего персонала, так и оборудования подстанции. Автоматический выключатель eVD4 полностью совместим со стандартом МЭК 61850 и системой горизонтального обмена информацией GOOSE, что, в свою очередь, гарантирует совместимость с новыми системами коммуникации подстанции. Более подробную информацию смотрите в главе «Интеллектуальная эволюция» на стр. 18 этого номера «АББ Ревю».

Topic Основные тенденции инноваций

­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­9

Устройство ускоренной подзарядки на постоянном токе компании АББ Устройства ускоренной подзарядки на постоянном токе получают всё большее признание в качестве ключевого элемента питания для электромобилей. В отличие от устройств подзарядки, работающих на переменном токе, которые зависят от маломощного зарядного конвертера в автомобиле и применяются для зарядки в течение ночи, устройства ускоренной подзарядки на постоянном токе не требуют наличия зарядного конвертера в машине, поскольку он теперь входит в инфраструктуру зарядной подстанции, обеспечивая подзарядку множества электромобилей. Это позволяет осуществлять интенсивную подзарядку, не обременяя электромобиль тяжёлыми устройствами, а его владельца – дополнительными расходами. Также данное устройство обладает дополнительным преимуществом – различными средствами управления нагрузкой на электросеть. Компания АББ сделала значительный

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

компании Tokyo Electric Power Corporation смогла достичь этого поворотного момента. Благодаря совместной работе сертификация была проведена в рекордно короткие сроки, и пилотная установка была смонтирована всего лишь двумя днями позже. Новое устройство ускоренной подзарядки на постоянном токе компании АББ быстро доказало свою эффективность в качестве основной станции ускоренной подзарядки для транспортных средств, принимавших участие в Гонконгском параде электромобилей во время EVS-25 (Всемирного симпозиума и выставки электромобилей) в городе Шэньчжэнь, быстро подзарядив семь подряд машин марки Mitsubishi «i MiEV», принадлежащих компании China Light and Power. Более подробную информацию о подзарядке электромобилей смотрите в главе «Заря новой эры» на стр. 77 #2/2010 «АББ Ревю».

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

­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­10

AББ Ревю 1|11

Инвертер, установленный в доме, должен быть настолько прост, чтобы все члены семьи смогли им пользоваться. Инвертеры батарей производства компании АББ поставляются с удобным в эксплуатации дистанционным дисплеем. Это удобство проявляется, начиная с графического изображения солнца, количество лучей которого соответствует яркости солнечного излучения, в любое время позволяя моментально проверить эффективность инвертера. Для экономных пользователей устройство

может отображать гистограммы, показывающие соотношение производительности и времени. Третий уровень сложности создан для инженеров, и поэтому он отображает многочисленные технические детали. Инвертер батареи поставляется с самой современной защитой от перенапряжений и выполнен в самом компактном дизайне. Инвертор батарей компании АББ будет представлен более подробно в следующем номере «АББ Ревю».

Экономичный двигатель Обтекаемая роторная конструкция реактивного синхронного двигателя компании АББ ликвидирует потери мощности в клетке ротора, таким образом повышая эффективность и компактность. Возможность достижения стандартной мощности и уровня крутящего момента уже при подъёме температуры класса А (60 К) увеличивает срок службы изоляции двигателя и продлевает срок службы подшипника или интервалы смазки. Синхронные двигатели, управляемые регулируемыми приводами, повышают эффективность использования энергии в ряде промышленных применений. Общим для большинства применений является необходимость максимальной производитель-

Система освещения Busch-iceLight Подобно тому, как освещение влияет на восприятие фотографии, оно может повлиять и на создание атмосферы в помещении. Вооружённая инновационной светодиодной технологией и множеством опций направления и интенсивности освещения, а также теплоты и видимости цвета, компания BuschJaeger, в сотрудничестве со знаменитым архитектором и дизайнером Хади Тегерани (Hadi Teherani), разработала новую систему освещения как для жилых, так и для офисных помещений.

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

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

атмосферы. Имея столь же скромные размеры, что и обычный выключатель, и используя рамки такого же дизайна, как у выключателей и розеток, система может быть приспособлена к внешнему виду уже установленных электрических инсталляций. Осветительный элемент можно установить в пяти различных направлениях, чтобы точно определить направление света и луча. Для регулирования цвета имеются два типа настройки: тёплый или нейтральный белый цвет. Кроме того, интенсивность освещения может быть включена в режиме 100 или 25 процентов с помощью преобразователя на 350 мА / 5 Вт или преобразователя на 40 мА / 0,15 Вт ночного освещения. Система Busch-iceLight гарантирует комфорт и безопасность освещения или подсветки информационных систем здания. Входящие в состав системы многочисленные высококачественные дизайнерские платы и

Более подробную информацию смотрите в главе «Движение вперёд» на странице 56 этого номера «АББ Ревю».

специальные пиктограммы делают её адаптируемой к требованиям заказчика. Компания Busch-Jaeger входит в концерн АББ.

Topic Основные тенденции инноваций

­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­11

Инновации от CLEEN Сотрудничество помогает АББ проводить научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы

ЮККА ТОЛВАНЕН, ТЕРО АХОНЕН, ЮХА ВИХОЛАЙНЕН – В прошлом такие инновации как лампочка и телефон часто изобретались отдельными людьми, такими как Томас Альва Эдисон и Александр Грэм Белл. Сегодня инновации всё ещё нуждаются в появлении изобретателей, но чаще всего сотрудничество и объединение знаний в различных областях бывают более необходимы, чем отдельные яркие личности. В концерне АББ накопилось множество технических знаний, и возможности использования глобального представительства компании сочетаются со знанием потребностей заказчиков из самых разных стран мира. АББ также сотрудничает с компаниями и университетами для развития новых технологий и услуг.

­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­12

АББ Ревю 1|11

К

ак говорится в известной поговорке, «одна голова – хорошо, а две – лучше». В области инжиниринга и технологии, развитие новых идей может потребовать разнообразия «ноу-хау» и, следовательно, сотрудничества между различными организациями. Например, инновации в области повышения эффективности использования энергии электрических систем безусловно требуют не только технической оценки, но также и экономической, и социальной экспертизы для того, чтобы получить совершенно новые решения и услуги. Соответственно, требуется технический опыт в разных областях инжиниринга, что сделает необходимым участие нескольких компаний. Поскольку одна единственная компания может быть компетентна на самом высоком уровне только в каких-либо определённых областях, сотрудничество между различными организациями может дать возможность для развития новых идей и инновациям для различных производственных отраслей. Объединение даёт основу для исследований Даже при том, что сотрудничество может быть вполне осуществимо, необходимо заранее установить ряд правил. Например, интеллектуальная собственность (IP) и финансовые вопросы должны быть чётко установлены, начиная с самого первого дня с тем, чтобы гарантировать жизнеспособное и взаимовыгодное сотрудничество. Одним из решений перечисленных проблем может стать создание общего исследовательского центра или сообщества для управления исследовательскими и конструкторскими работами. В Финляндии стратегический научный центр по технологиям и инновациям в области энергии и мониторинга окружающей среды (CLEEN Ltd стал катализатором меж-

дународного и межотраслевого сотрудничества в области энергии и экологических технологий. В качестве общества с ограниченной ответственностью, находящегося во владении транснациональных компаний и наиболее компетентных национальных исследовательских институтов и университетов, CLEEN создает коллективную базу знаний и инновационных решений, технологий и услуг, превосходящую возможности НИОКР одной компании или даже отрасли [1]. Две трети из 44 акционеров программы CLEEN являются частными компаниями, включая лидеров рынка в области глобальных технологий, таких как АББ, Metso и Wartsila. Компания АББ является одним из основателей и активных участников программы CLEEN. Это предоставляет новые пути проведения совместных исследований с другими организациями и научно-исследовательскими институтами. Такой тип совместного предприятия также увеличивает шансы на получение внешнего финансирования, что часто бывает основной проблемой для крупных исследовательских консорциумов, проводящих долгосрочные (например, от трёх до пяти лет) исследования. В Финляндии основным правительственным спонсором стало Финское Агентство финансирования технологий и инноваций (Tekes). Tekes спонсирует консорциум компаний и научноисследовательских институтов посредством своей новой инновационной программы. Такой тип поддержки позволяет внести изменения в саму структуру инноваций, заменив её с индивидуальной на открытую, основанную на сотрудничестве многих компаний.

По словам Томми Джекобсона (Tommy Jacobson), исполнительного директора программы CLEEN, компания стремится усилить открытое инновационное сотрудничество между компаниями, университетами и научно-исследовательскими институтами. Программа работает в качестве сети, через которую участвующие в ней международные компании могут проводить НИОКР, приобретая при этом новые знания быстрее и глубже, чем если бы они работали в одиночку. Джекобсон объясняет, что сотрудничество является стратегически более важным для компаний-участниц, когда они распределяют свои кадровые ресурсы в области НИОКР на несколько лет и хотят поделиться полученными результатами скорее, чем просто выделять средства на патентованные НИОКР, полученные путём аутсорсинга. Такое участие промышленности также гарантирует широкое взаимопроникновение знаний, инноваций и методик. Был найден эффективный путь развития программ: во-первых, компании определяют тему, приоритетную для будущих деловых операций, в которую они были бы готовы вложить свои средства и затем поделиться полученными результатами.

Центр CLEEN Ltd. был основан с тем, чтобы стать катализатором международного и межотраслевого сотрудничества в области энергии и экологических технологий.

Современное сотрудничество между компаниями и университетами CLEEN является частью кардинального пересмотра всей инновационной системы Финляндии. Для достижения этой цели финское правительство инициировало создание шести центров по стратегическим наукам, технологиям и инновациям, принадлежащих и управляемых исключительно промышленным и научным сообществом. Именно программа CLEEN ставит акцент на проблемах энергии и окружающей среды.

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

­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­13

1 «Умные» сети и энергетические рынки (SGEM)

Партнёры по исследованиям 39.2%

Партнёры в промышленности 60.8%

Партнёры по исследованиям 39.2%

Партнёры в промышленности 60.8% АББ Oy 6.3%

Helen Sahkoverkko Oy 1.8%

ехнологический Университет Хельсинки 5.0%

Aidon Oy 0.1%

Nokia Siemens Networks Oy 29.9%

Университет Куопио 1.0%

Areva T&D Oy 1.4%

Tekla Oyj 3.7%

Технологический Университет Лаппеенранта 8.4%

Empower Oy 4.5%

The Switch Engineering Oy 1.9%

MIKES 0.4%

Emtele Oy 1.5%

Vantaan Energia Sahkoverkot Oy 0.9%

Технологический Университет Тампере 12.5%

Fingrid Oy 2% Fortum Sahkonsiirto Oy 5.1%

Vattenfall Verkko Oy 1.8%

Компания АББ является одним из основателей и активных участников программы CLEEN. дня, включают, например, эффективное использование энергии и распределённые энергосистемы. «Умные» электросети и энергетические рынки «Умная» электросеть поставляет потребителям энергию от многих поставщиков, используя двустороннюю цифровую технологию и интеллектуальную систему мониторинга, которая отслеживает поток электроэнергии в системе. «Умные» сети обеспечивают управляемые разнонаправленные потоки энергии как в местном, так и в национальном масштабе. В сравнении с традиционными электросетями, «умные» сети способствуют более рациональному использованию и управлению распределённым производством электроэнергии, а также рациональному применению аккумуляторов электромобилей в качестве элемента распределительной электросети. Определены следующие темы исследований в области «умных» сетей и энергетических рынков (SGEM): ­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­14

AББ Ревю 1|11

Университет Вааса 2.8% VTT 9.2%

– Будущая инфраструктура энергетических систем – Интеллектуальное управление и эксплуатация «умных» сетей – Интерфейс для потребителя – Разработка услуг поставки электроэнергии и контроля над выбросами, ставших возможными благодаря применению технологии «умных» сетей. Целью исследовательского консорциума по SGEM является развитие межнациональных решений «умных» сетей, которые могут быть продемонстрированы в реальном секторе, используя финскую инфраструктуру НИОКР и инноваций. В то же время, благодаря преимуществам интерактивного международного исследовательского сотрудничества, можно будет накапливать «ноу-хау» передовых информационно-коммуникационных технологий (ICT) провайдеров «умных» сетей. В этой объединённой программе принимают участие представители промышленности, научно-исследовательских институтов и университетов, см. рис. 1. Участники, представляющие промышленный сектор, занимаются вопросами выработки и распределения электроэнергии, телекоммуникаций и информационных технологий. Партнёры, представляющие научное сообщество, представляют пять университетов и два научно-исследовательских института Финляндии (MIKES и VTT). Данный проект рассчитан на пять лет. Рациональное использование энергии Программа рационального использова-

ния энергии (EFEU) концентрирует свои усилия на развитии методов, способных рационализировать потребление энергии устройствами и системами. Целями данной программы являются в первую очередь промышленность и сектор услуг, потребляющие приблизительно 60 процентов всей произведённой электроэнергии. Основными целями исследовательской программы являются: – Разработка новых методов, бизнеспроцессов и систем позволяет достичь максимально рационального потребления электроэнергии – Разработка новых методов, позволяющих более рационально потреблять электроэнергию при небольшом объёме инвестиций – Создание национальной сети НИОКР для продвижения эффективного использования электроэнергии. Поскольку данная тема касается многих областей науки, требуются опыт и активное участие многих сторон – обрабатывающей промышленности, производителей устройств, компаний по оказанию услуг, инжиниринговых фирм, университетов и исследовательских организаций. Временные рамки исследовательских работ составляют от трёх до десяти лет до начала массового производства или оказания услуг. Основными результатами исследований станут концепции инновационных систем, правила определения габаритов, методы замера и оценки эффективности энергопотребления системы, а также решения и услуги, связанные с рационализацией потребления электроэнергии. Найденные в ходе ис-

2 Исследовательское оборудование для насосных систем в Университете Лаппеенранта

следований идеи будут впервые продемонстрированы на практике, после чего они найдут своё применение в исследовательских работах с акцентом на практическое применение. Инновации через научные исследования Помимо объединённых программ, прямое сотрудничество между промышленностью и университетами может быть плодотворным источником инновационных технологий. Часто сотрудничество между университетами и промышленностью предоставляет возможность взаимовыгодного сотрудничества, поскольку университеты могут предлагать интересные темы для исследований, а изготовители продукции могут извлечь выгоду в форме инновационных НИОКР и тестирования новых идей с помощью испытательного оборудования, которым располагают университеты. Этот вид сотрудничества был успешно опробован

лей и регулируемых приводов (VSD), которые являются важнейшим решением для рационализации потребления энергии вращающимися механизмами. Основанный в 1969 году, LUT дает образование и проводит исследования в областях инжиниринга и экономики. Университет делает акцент на рациональном потреблении энергии и энергетическом рынке, стратегическом управлении , использование IT технологиq для научных расчётов и моделирования промышленных процессов, а также знания о состоянии бизнеса и промышленности в России в связи с указанными областями [2]. Поскольку университет располагает испытательным оборудованием для насосных систем и электродвигателей, а также большим опытом рационализации потребления электроэнергии этими устройствами, LUT смог провести научные исследования, которые также помогли осуществить НИОКР по созданию новой продукции компанией АББ. Прямое управление крутящим моментом (DTC) электродвигателей с вращающимся электромагнитным полем (PMSM) и оценка характеристик потока без применения датчиков для центробежных насосов изучались именно в LUT см. рис. 2. [3,4]. Итогом этих тем исследований стала подача нескольких заявок на патенты, научные публикации, а также прямое взаимодействие с отделом НИОКР компании АББ при разработке приводов. В результате опыт, накопленный университетом Лаппеенранта в ходе исследований, дал отличную базу для сотрудничества с компанией АББ в создании электродвигателей и регулируемых приводов. На практике, сотрудничество осуществлялось в Карельском Центре по приводам и двигателям (CDMC), входящим в факультет электротехники LUT. Для компании АББ такой подход позволил осуществлять выработку инновационных идей совместно с научными исследователями, а также проводить испытания будущей продукции. Для CDMC такое с от руд н и ч е с т в о явилось отличным источником тем для новых исследований и возможностью повышения компетентности в области эффективного использования энергии электродвигателей, VSD и вращающихся механизмов. Это сотрудниче-

Прямое сотрудничество между промышленностью и университетами может быть плодотворным источником инноваций и новых технологий. компанией АББ и Технологическим Университетом города Лаппеенранта, Финляндия (LUT) в области электродвигате-

ство позволило исследователям, работающим в CDMC, стать участниками инновационной составляющей в ходе исследований и разработок новых продуктов и услуг. В зависимости от конкретного проекта, результаты исследований могут также быть опубликованы в форме тезисов НИОКР и журнальных статей, или в виде заявок на патенты. Проекты исследований касались методов управления VSD, повышения эффективности электродвигателей, а также управления и диагностики вращающихся механизмов, таких как центробежные насосы. Сотрудничество с другими компаниями и университетами часто приносит новые и даже инновационные идеи. Пример такого сотрудничества описан в статье «Преимущества учёта». Следовательно, не следует упускать возможность сотрудничества в области НИОКР, поскольку в таком режиме становятся возможными более обширные научно-исследовательские работы, и опыт в различных областях может быть использован при проведении исследований. Вне зависимости от того, достигаются ли такие результаты с помощью объединённых исследований совместно с другими компаниями и научноисследовательскими институтами, или же посредством прямого сотрудничества с университетами или научно-исследовательскими институтами, выгоду получают все заинтересованные стороны.

Юкка Толванен АББ Drives Хельсинки, Финляндия jukka.tolvanen@fi.abb.com Теро Ахонен Юха Вихолайнен Технологический Университет Лаппеенранта, Лаппеенранта, Финляндия tero.ahonen@lut.fi juha.viholainen@lut.fi Ссылки [1] CLEEN Ltd., Финский Центр Энергетики и Мониторинга окружающей среды. Информация взята 24 августа 2010 г. с сайта http://www.cleen. fi.

[2] Презентация Технологического Университета Лаппеенранта Информация взята 24 августа 2010 г. с сайта http://www.lut.fi/en/lut/introduction/.

[3] Luukko, J. 2000. Прямое управление крутящим моментом электродвигателей с вращающимся электромагнитным полем – анализ и внедрение. Диссертация, Технологический Университет Лаппеенранта.

[4] Ahonen, T., Tamminen, J., Ahola, J., Viholainen, J., Aranto, N., Kestila, J. 2010. Расчёт рабочего состояния насоса на основе моделирования. Конверсия и управление энергией, 51,

Инновации от CLEEN

­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­15

Преимущества учёта Компания АББ и Технологический университет Лаппеенранта совместно работают над проектом учёта энергопотребления для создания более рациональных и надёжных насосных установок. Осуществление проекта учёта энергии (EAP) Технологическим Университетом Лаппеенранта (LUT) было начато осенью 2008 года. Учёт электроэнергии представляет собой анализ энергопотребления в ходе конкретного процесса или конкретной системой рис. 1. В роли заказчиков выступают потребители электроэнергии преимущественно в области промышленности. В процессе учёта внимание обращается прежде всего на поиск малоэффективного применения вращающихся электрических механизмов, в число которых зачастую входят и насосы.

EAP финансируется компанией АББ и управляется Энергетическим Институтом, являющимся подразделением LUT [1]. Данный проект стал результатом долгосрочного сотрудничества между АББ и LUT, особенно в области исследований эффективности насосных установок. Кроме того, в ходе осуществления проекта были разработаны специальные средства моделирования с целью определения эффективности энергопотребления насосными установками. Учёт потребления электроэнергии в промышленном масштабе Основной целью настоящего проекта явилось создание несложного метода учёта, выгодного для всех участников процесса. Цель такого учёта состоит в получении информации о потреблении электроэнергии системой в её текущем состоянии и в определении влияющих на него факторов. Следующим шагом стала идентификация экономических возможностей повышения эффективности системы и снижения себестоимости. Конечным результатом учёта стал план действий по рационализации потребления электроэнергии.

­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­16

AББ Ревю 1|11 АББ

Значительные результаты исследований разработок для применения в насосных установках Передовое применение регулируемых приводов (VSD) в диагностике центробежных насосов изучалось в LUT, начиная с 2005 года, когда точность функции расчёта потока без применения датчиков, имеющейся в промышленных приводах производства компании АББ, была протестирована в университетской лаборатории. Результаты испытаний были затем опубликованы в журнале о насосах «World Pumps» в 2005 и 2006 гг. Поскольку приводы VSD способны оценивать работу двигателя без датчиков на валу двигателя, их можно также использовать для оценки работы насоса или другой нагрузки на двигатель. Например, функция расчёта характеристик потока без применения датчиков, имеющаяся на промышленных приводах АББ, использует внутреннюю скорость вращения и оценки мощности на приводном валу, чтобы проинформировать пользователя о характеристиках потока в насосе без установки на него дополнительных датчиков. Эта функция может использоваться в тех случаях, когда требуется знать характеристики потоков в насосе, но она не может применяться для коммерческого учёта. Исследовательские проекты выполнялись также в целях поиска новых путей выявления кавитации1 и контроля эффективности энергопотребления параллельно подсоединённых насосов. Эти исследования позволили устранить основные причины отказа насосов, после чего общее энергопотребление

Существенной экономии электроэнергии можно достичь с помощью передовых регуляторов скорости параллельно подсоединённых насосов. насосных установок существенно упало. Более надёжные и экономичные насосные установки Выявление кавитации без применения датчиков основано на интеллектуальном анализе данных преобразователя для определения ненормальной работы насоса. В случае с центробежными насосами, кавитация является одной из широко известных причин пониженной эффективности нагнетания и отказов насоса. Ввиду этого было разработаПримечание 1 Кавитация – это образование пузырьков газа из-за падения давления жидкости ниже давления водяного пара. Ударная волна, вызываемая быстрым разрушением таких пузырьков, может повредить поверхности.

Встреча с заказчиком

Сбор первичных данных

Сбор данных на месте

Анализ энергопотребления

Составление отчёта

2 Конкретное энергопотребление при различных методах управления потоком для двух параллельно подсоединённых центробежных насосов Конкретное энергопотребление (кВт/м3)

1 Процедура учёта энергии, разработанная LUT

0,50

2 насоса 1. Постоянный насос 2. Насос, регулируемый VSD

0,40 0,30

2 насоса Насосы 1 и 2 регулируются VSD

0,20 0,10

2 насоса Регулирование с помощью клапана

0,00 0

200

400

600

800

1,000

1,200

1,400

Объём потока (л/сек) Презентация и вручение отчёта

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

Поскольку VSD могут рассчитывать работу двигателя без датчиков на его валу, их можно также применять для расчёта работы насоса или другой нагрузки на двигатель. обнаружение кавитации без применения датчиков может предоставить потребителю реальную выгоду, поскольку отпадает необходимость в дополнительных датчиках и монтажных работах [2].

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

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

Юкка Толванен АББ Drives Хельсинки, Финляндия jukka.tolvanen@fi.abb.com Теро Ахонен, Ниина Аранто Технологический Университет Лаппеенранта, Лаппеенранта, Финляндия tero.ahonen@lut.fi, niina.aranto@lut.fi Ссылки [1] Aranto, N., Ahonen, T., Viholainen, J. (2009, сентябрь 1417). Учёт энергии: Совместный подход университета и АББ. Заседания 6-ой международной конференции по эффективности энергопотребления в системах, приводимых электродвигателями (EEMODS ’09). Совместный исследовательский Центр Европейской Комиссии, Энергетический Институт.

[2] Ahonen, T., Tamminen, J., Ahola, J., Kestilä, J. (июнь 2010 г., 2224). Инновационный способ выявления кавитации в центробежных насосах с помощью преобразователя частот. Заседания 7-ой международной конференции по контролю состояния и технологиям предотвращения отказов техники (CM and MFPT 2010). Британский Институт Неразрушающих Испытаний и компания Coxmoor Publishing.

[3] Viholainen, J., Kortelainen, J., Ahonen, T., Aranto, N., Kestila, J. (Сентябрь 2009 г., 1417). Эффективность энергопотребления параллельных насосов, управляемых регулируемым приводом (VSD). Заседания 6-ой международной конференции по эффективности энергопотребления в системах, приводимых электродвигателями (EEMODS ’09). Совместный исследовательский Центр Европейской Комиссии, Энергетический Институт.

Инновации от CLEEN

­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­17

Интеллектуальная эволюция Выключатель eVD4 – простота и надёжность в распределительных сетях среднего напряжения

КАЛОДЖЕРО САЭЛИ, КАЛЛИСТО ДЖАТТИ, КАРЛО ДЖЕММЕ, ЭМИЛИА ДАНЕРИ, КАРЛО СЕРЕДА – В течение последних десяти лет распределительные сети среднего напряжения претерпели существенные приобразования. Концерн АББ стоит во главе этой эволюции, предоставляя клиентам новые продукты, такие как устройства защиты и управления Relion®, датчики тока и напряжения, а также вакуумные выключатели с залитыми полюсами; все эти устройства объединяет одно – самые современными технологии АББ. Концерн АББ использовал эти технологии для создания автоматического выключателя цепи, оснащённого встроенными датчиками, а также блоком защиты и управления RBX615. Известный под названием eVD4, этот выключатель упрощает дизайн и спецификацию распределительного устройства, гарантирует ускоренную установку, более высокую надёжность, а также сниженные требования к техническому обслуживанию и меньшие затраты в течение срока службы, в то время как увеличенная стандартизация способствует созданию менее сложных распределительных устройств и систем.

­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­18

АББ Ревю 1|11

В

последнее время сети среднего напряжения (MV) демонстрируют прочные тенденции развития новых технологий, которые позволяют осуществлять разработку новых решений позволяющих удовлетворить настоящие и будущие потребности распределительных сетей. Например, стандарт МЭК 61850 поощряет инновации в устройствах распределения энергии, предоставляя новые функциональные возможности и новую архитектуру для распределительных устройств MV. Продукты, имеющие более высокую степень интеграции, унификации компонентов и большую общую многофункциональность, теперь доступны на рынке. Они не только повышают надёжность, но также уменьшают время и затраты, необходимые для монтажа и обслуживания. Концерн АББ первым внедрил многие из числа этих новых технологий в процессе своих поисков и разработок новой продукции и серий продуктов для оборудования распределения электроэнергии в основной сети среднего напряжения. Одним из таких продуктов является инновационная серия автоматических выключателей eVD4 (см. рис. в начале главы), была разработана специально для простых, гибких и надёжных проектов распределительных устройств среднего напряжения, начиная с составления технического задания, проведения тендера, инжиниринга, строительства и заканчивая монтажом, пуском в эксплуатацию, испытаниями и техническим обслуживанием. В серии eVD4 сочетаются инновационные технологии концерна АББ в области механического электронного оборудования, а также датчиков. Результатом всего этого стало высокоинтегрированное устройство, в котором возможности измерений, защиты и управления сочетаются с возможностью отключения первичного питания, переключения и прерывания. Инновации и прочная основа для апробированной технологии Выключатель eVD4 базируется на вакуумном выключателе среднего напряжения с механическим приводом АББ VD4, новыми устройствами серии Relion® и сенсорных технологий рис. 1. После пуска в эксплуатацию в 2003 году, выключатель VD4 был установлен на более чем 250 000 устройствах по всему миру, и он характеризуется повышенной надёжностью и многофункциональностью в широком диапазоне применений.

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

j a

e b

f k g

c

l

h

m

i

n d

a Полюс с вакуумным прерывателем b Сигналы реле с Датчик: пояс Роговского или комбидатчик d Тележка для выдвижного выключателя е Реле защиты и управления RBX615 f Кнопка открытия g Рычаг зарядки рабочего механизма h Механическое сигнальное устройство открыто/ закрыто i Штепсель вспомогательных цепей (только для выдвижного выключателя) k Кнопка закрытия l пружинное механическое сигнальное устройство заряжено/разряжено m Механический счётчик срабатываний n Механический управляющий механизм о Убираемый и выдвижной редукторный

Блок защиты и управления RBX615 основан на технологии Relion и является интеллектуальным электронным устройством (IED), предназначенным для защиты, управления, замеров и мониторинга сетевых подстанций и промышленных электросетей. Этот блок устанавливается на шасси выключателя eVD4 в качестве сменного модуля с помощью стыковочного устройства. Блок RBX615 гарантирует общую защиту воздушных и кабельных линий, а также систем сборной шины распределительной подстанции; он подходит для любой радиальной распределительной сети независимо от принципа заземления. Доступ ко всем цифровым вводам и выводам (I/O) и к коммуникационным каналам, имеющимся в н и з к о в о л ьт н о й секции распределительного устройства, может осу-

o

p

q

электродвигатель (только для выдвижного выключателя) р выключатель открыто-замкнутого датчика положения q Пружинный датчик положения заряжено/разряжено

ществляться через штепсель выключателя, подсоединённого к розетке низковольтной секции. Датчики, установленные на полюсах выключателя, замеряют ток и напряжение, необходимые для защиты и управления силовых систем среднего напряжения. Технология, использованная для разработки датчиков, позволила уменьшить размер оборудования, улучшить его работу и повысить унификацию. Эта комбинация датчиков и IED (RBX615) позволяет осуществлять точный и надёжный мониторинг и регистрацию параметров

Линейка инновационных автоматических выключателей eVD4 была разработана специально для простых, гибких и надёжных проектов распределительных устройств среднего напряжения. Интеллектуальная эволюция

­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­19

2 Сравнение полностью автоматического выключателя eVD4 со стандартным выключателем цепей среднего напряжения на всех этапах жизненного цикла продукции Спецификация Высокий уровень управляемости eVD4 снижает требования к спецификации. Другими словами: – Отсутствует необходимость определения каких-либо параметров датчиков; номинальные значения датчиков выводятся из номинальных значений выключателя, в то время как тип датчика (только для выключателей тока или комбинированных выключателей тока и напряжения) выводится из уровня защиты.

– Все предварительные конфигурации блока RBX615 могут быть установлены таким образом, чтобы наилучшим образом соответствовать требованиям конкретной электросети. Управление поставками Для обеспечения поставок комплектного решения распределительных устройств среднего напряжения один полный заказ и один уникальный клиентский номер подходят намного больше, чем множество разрозненных заказов. Быстрая доставка Высокотехнологичная линия выпуска продукции в сочетании с унификацией комплектующих позволяет концерну АББ гарантировать для eVD4 такое же время доставки, как и для стандартных автоматических выключателей. Монтаж Выключатель eVD4 является устройством, готовым к монтажу. Поскольку датчики интегрированы в комплектный блок, отпадает необходимость в дополнительной проводке или иных работах; вся проводка реле моментально подсоединяется штепселем автоматического выключателя.

Блок защиты и управления RBX615 интегрирован в eVD4; он осуществляет функции мониторинга, управления и диагностики.

Облегчение работ и снижение времени, затрачиваемого на инжиниринг и проводку В качестве интегрированного решения, значительная часть проводки распределительного устройства встроена в автоматический выключатель, что делает продукт более унифицированным. Количество проводки, предназначенной для низковольтной секции, ограничено, что существенно снижает риск ошибок при монтаже, что, в свою очередь, делает монтаж всего распределительного устройства и быстрее, и проще. Облегчение работы при заводских приёмочных испытаниях (FAT) наряду с повышенными безопасностью и надёжностью Полностью протестированное и интегрированное решение с меньшим количеством проводки в распределительном устройстве снижает объём работ, необходимых для проведения обязательных FAT. Простое обслуживание, оптимизация резерва запчастей и сниженное среднее время ремонта (MTTR) Выключатель eVD4 собран из стандартных комплектующих, применяемых в широком диапазоне изделий. Кроме того, лишь с небольшими изменениями, все модели автоматических выключателей eVD4 используют те же комплектующие, следовательно, необходимо иметь в запасе лишь небольшое количество запчастей. Всё вспомогательное оборудование является широко доступным и простым в обслуживании. Это интегрированное решение даёт возможность быстрого восстановления системы в случае отказа, и все ключевые компоненты распределительного устройства могут заменяться посредством замены только лишь выключателя eVD4.

сети, одновременно обеспечивая более совершенную защиту персонала и оборудования подстанции. Преимущества полностью автоматического выключателя eVD4 по сравнению со стандартным выключателем среднего напряжения на всех этапах жизненного цикла продукции приведены в рис. 2. Выключатель eVD4 характеризуют самые общие номинальные значения выключателей среднего напряжения: Номинальное напряжение до 17,5 кВ; номинальный ток до 2500 A; отключаемая мощность до 40 кA. Реле RBX615 поставляется с пятью различными уровнями защиты, каждый из которых соответствует определённому набору защитных функций, требующих измерения как тока, так и напряжения. Поскольку реле встроено в выключатель eVD4, дизайн реле был оптимизирован таким образом, чтобы оно смогло осуществлять функции мониторинга, управления и диагностики выключателя eVD4. Обзор конструкции выключателя eVD4 Дизайн нового вакуумного выключателя eVD4 превосходит требования к простоте устройства (его характерной чертой является небольшое количество высо-

­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­20

AББ Ревю 1|11

конадёжных комплектующих и возможность адаптации к широкому диапазону легко и быстро устанавливаемого дополнительного оборудования) и к безопасности (полюса закреплены на прочной металлической конструкции, рабочий механизм также надёжно закреплён). Рабочий механизм

В состав рабочего механизма входит пружина, необходимая для накопления энергии, требуемой для активации механического открытия и закрытия, а также специальные блокировки. Нормальная работа требует постоянного наличия накопленной энергии, которая может (в случае с eVD4) быть сравнительно низкой из-за легковесных контактов прерывателя и сниженного хода контакта при переключении. Всё это снижает износ системы и делает выключатель практически не требующим технического обслуживания. В течение срока службы выключателя eVD4 возможны до 30 000 операций открытия/закрытия. Датчик положения

Датчики положения позволяют выключателю eVD4 с высокой точностью определять положение его движущихся частей. Например, эти датчики определяют открытое или закрытое положение выключателя, заряженность/разряженность пружины и положение тележки. Затем эта информация направляется на реле RBX615 по специальной линии проводной связи. Усиленный штепсель вспомогательной цепи

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

3 Усиленный штепсель вспомогательной цепи выключателя eVD4

чечное подсоединение к реле RBX615 через 12 цифровых выводов штепселя. Для простоты монтажа eVD4 была спроектирована специальная панельная розетка.

4 Реле RBX615 основано на технологии Relion® корпорации АББ

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

RBX615 и HMI

RBX615 представляет собой реле общего назначения на основе технологии Relion® концерна АББ, и оно спроектировано специально для применения в выключателе eVD4 рис. 4. Форма и расположение штырей реле были оптимизированы таким образом, чтобы обеспечить простое штепсельное соединение с выключателем с применением специального стыковочного устройства. Реле поставляется с пятью различными уровнями защиты предварительной конфигурации, три из которых предназначены для присоединения защиты, а оставшиеся два направлены в основном на защиту двигателя рис. 5. Предварительная конфигурация может быть полностью настроена в соответствии с требованиями посредством PCM600 1, интеллектуального электронного инструмента управления и защиты, а также инструмента конфигурации приложения (ACT), графического инструмента, позволяющего легко и просто модифицировать логику приложения. Для соответствия любым требованиям подстанции предусмотрены несколько логических

Примечание 1 ПО PCM600 совместимо со стандартом МЭК 61850, упрощающим инжиниринг IED и обеспечивающим обмен информацией с другими инструментами, совместимыми с МЭК 61850.

В левой части этого интерфейса отображается однолинейная схема (SLD), а в правой части показано меню реле. SLD можно редактировать с помощью дисплея графического редактора в PCM600. Отображаемые символы динамически привязаны к соответствующим объектам (например, автоматическим выключателям, тележке выключателя, переключателю заземления, разъединителю линии), и их положение отображается на дисплее. Кроме того, положение указанных объектов можно легко контролировать с HMI. Ethernet-порт на HMI упрощает двухточечное соединение между реле и ПК. Обладая таким соединением, HMI автоматически отображается в интернетбраузере, позволяя оператору изменять параметры защитных функций, а также загружать регистрационные данные аварийных событий и некоторые другие данные. Отсутствует необходимость установки дополнительного программного обеспечения на ПК оператора для обеспечения связи с устройством защиты и управления. Два канала связи позволяют осуществлять связь между реле и технологической системой. Несмотря на то, что RBX615 совместимо со стандартом МЭК 61850, в нём предусмотрен протокол связи Modbus® TCP/IP. В будущем станут возможны и другие протоколы связи.

В выключателе eVD4 полностью реализован потенциал стандарта МЭК 61850 и технологии GOOSE, включая горизонтальную высокоскоростную связь между реле

Интеллектуальная эволюция

­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­21

5 Реле RBX615 может иметь пять уровней защиты предварительной конфигурации

Описание

Конфигурация

Ненаправленная максимальная токовая защита и ненаправленная защита от замыкания на землю

Линия 1 (F1)

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

Линия 2 (F2)

a

l

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

Линия 3 (F3)

Защита двигателя основана на измерении тока

Двигатель 1 (M1)

Защита двигателя основана на измерении тока и напряжения

Двигатель 2 (M2)

В выключателе eVD4 применяются два типа датчиков: датчики тока (на основе принципа пояса Роговского) и комбинированные датчики тока и напряжения, известные как комбидатчики.

­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­22

AББ Ревю 1|11

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

m

b

n o

c

d

e

Датчики В автоматических выключателях eVD4 применяется новейшая и наиболее передовая технология изготовления датчиков. На eVD4 могут быть установлены два типа датчиков - датчики тока (основанные на принципе пояса Роговского) и объединённый датчик тока и напряжения, известный как комбидатчик рис. 7. Выбор датчика зависит от уровня защиты реле RBX615. Датчики применяются для: – Преобразования токов и напряжения большой силы в первичной цепи электросети в соответствующий сигнал для оборудования вторичной цепи (то есть для реле защиты RBX615) – Изоляции первичной и вторичной цепи друг от друга – Защиты оборудования вторичной цепи от вредного влияния токов и напряжения большой силы, которые могут иметь место в первичной обмотке во время короткого замыкания в сети. Весь диапазон токов и напряжений охватывается лишь тремя датчиками, действие которых распространяется вплоть до максимального номинального тока и напряжения автоматического выключателя. Разомкнутая цепь или короткое замыкание в сигнальном кабеле не опасны и не вызовут повреждений. Датчик тока состоит из поясов Роговского, однородно намотанных на контур замкнутой формы с постоянным поперечным сечением и без ферромагнитного сердечника рис. 8. Напряжение, вызываемое в обмотке (переданный сигнал), прямо пропорционально изменению в сквозном токе. Эти датчики характеризуются отсутствием эффекта на-

f

g h

i

j

k

a Функциональные клавиши применений b Закрытие c Открытие d Выход e Налево f Вниз g Вверх h Направо i Ключ j Подтверждение k Местный/Удалённый режим l Клавиша страницы светодиодов m Отмена n Однолинейная схема o Меню

сыщения и гистерезисных явлений, поскольку в поясе Роговского нет железа, что, в свою очередь, гарантирует превосходную линейность. Датчики тока для измерения на выходе выключателя eVD4 сохраняют линейность вплоть до максимального значения, установленного для защитных порогов. Датчик напряжения использует ёмкостный делитель для показа напряжения рис. 9. Другими словами, цилиндрический металлический электрод встраивается в датчик лицевой стороной к вводу выключателя. Сигнал на выходе – это напряжение, прямо пропорциональное первичному напряжению. Как и в случае с датчиками тока, датчики напряжения характеризуются отсутствием феррорезонансных явлений и нечувствительностью к влиянию постоянных составляющих тока. Преимущества использования интегрированных датчиков в автоматическом выключателе eVD4 включают линейные измерения и универсальную защиту, безопасность, небольшое потребление энергии, и, наконец, экологичность. Линейные измерения и многофункциональная защита

Благодаря отсутствию резонансных и гистерезисных явлений датчики показывают хорошие динамические характеристики и сохраняют линейность вплоть до самых высоких токов и напряжения. В результате они гарантируют высокий уровень защиты и позволяют проводить многосторонний анализ ошибок. Безопасность

Номинальное

значение

переданного

7 Выбор датчика тока или датчика напряжения зависит от уровня защиты реле

8 Датчики тока основаны на принципе пояса Роговского Передаваемый сигнал является напряжением:

Пояс Роговского

Vout = M

diP dt

Для синусоидального тока при условии постоянного состояния напряжение равно:

Ip

Vout = M · j · w · Ip Сигнал представляет собой синусоидальное напряжение, пропорциональное току, со сдвигом фазы на 90° (опережение по фазе).

Vout

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

9 Датчики напряжения используют ёмкостный делитель для отображения напряжения Ёмкостный делитель напряжения

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

C1

(ёмкостный делитель) Vp C2

сигнала достаточно низко для того, чтобы не представлять опасности как для человека, так и для вспомогательного оборудования, даже когда в первичной обмотке имеют место самые сильные токи и самое высокое напряжение. Разрыв или короткое замыкание в сигнальном кабеле не представляют опасности и не станут причиной повреждения.

Автоматический выключатель eVD4 является важным шагом вперёд в плане эффективности, простоты, надёжности, безопасности и экономичности. Небольшое потребление энергии

Эффективность датчика достаточно высока по сравнению с эффективностью измерительных трансформаторов. Кроме того, отсутствуют потери тока во вторичной проводке. Эта эко-

Vout

номия способствует увеличению продолжительности срока службы оборудования; в масштабе всей сферы коммунальных услуг такая экономия является весьма ощутимой.

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

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

Экологичность

При изготовлении датчиков требуется совсем немного сырья; потребление энергии почти символическое. Адаптация распределительных устройств среднего напряжения к требованиям завтрашнего дня Новый автоматический выключатель eVD4, разработанный концерном АББ, является ключевым элементом при создании простого, надёжного и безопасного распределительного устройства среднего напряжения. Полное соответствие новому стандарту МЭК МЭК 61850 и функциональным требованиям GOOSE обеспечивает совместимость с новыми системами связи подстанций. Весь срок службы распределительного устройства оптимизируется с помощью внедрения выключателя eVD4. Начиная с упрощённых спецификаций и процедуры заказа и заканчивая решительно упрощённой конструкцией распределительного устройства в плане инжиниринга, прокладки кабелей и проведения испытаний, а также пуском в эксплуатацию и обслуживанием панели, автоматический выключатель eVD4 является важным

Калоджеро Саэли Каллисто Джатти Карло Джемме Эмилия Данери Карло Середа АББ Power Products Дальмине, Италия calogero.saeli@it.abb.com callisto.gatti@it..com carlo.gemme@it.abb.com emilia.daneri@it.abb.com carlo.cereda@it.abb.com

Иллюстрация На иллюстрации изображён автоматический выключатель eVD4 производства концерна АББ с операторским интерфейсом для распределительных устройств среднего напряжения.

Интеллектуальная эволюция

­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­23

Сейсмостойкий выключатель Сертифицированное распределительное устройство для АЭС является важнейшим звеном цепи распределения энергии ­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­24

АББ Ревю 1|11

РЕНАТО ПИККАРДО, АННУНЦИО РЕГАНТИНИ, ДАВИДЕ КАТТАНЕО, ЛУЧИАНО ДИ МАЙО – Атомная электростанция должна быть в состоянии справляться с огромным количеством энергии при условии абсолютной безопасности. Всеми функциями системы нужно управлять с абсолютной надёжностью и гарантированной работоспособностью. Используемое оборудование должно в течение длительного времени не снижать работоспособности из-за экстремально высокой температуры, давления, влажности, радиации и вибрации, включая землетрясения. Концерн АББ разработал UniGear zS1, сертифицированное распределительное устройство среднего напряжения, которое соответствует всем важнейшим требованиям.

1 Пример требуемого спектра ответа (RRS)

Ускорение (g)

3

2

1

0 10

20

30

40

50

Частота (Гц)

Л

юди, работающие над проектами атомной энергетики, знают, что внимание к деталям и использование только сертифицированного оборудования крайне важны: никогда нельзя запускать АЭС, пока не будет проверен и сертифицирован каждый компонент системы безопасности станции. Детальные параметры сертификации указаны в стандартах IEEE США1 и европейской МЭК2. Квалификационный процесс Каждый поставщик комплектующих для цепи безопасности атомной электростанции (АЭС) должен пройти определённый квалификационный процесс, цель которого состоит в том, чтобы проверить и сертифицировать стопроцентную надёжность компонентов системы. Часть оборудования АЭС, возможно, должна будет работать в самых тяжёлых условиях. Именно поэтому основная цель квалификационного процесса состоит в том, чтобы проверить работоспособность в различных и чётко определённых экологических условиях. Критический сценарий - возможное землетрясение: система должна быть в состоянии бесперебойно функционировать во время так называемого умеренного землетрясения (OBE) или, в случае очень сильного землетрясения, она должна отключить реактор; этот случай известен как «максимальное расчётное землетрясение, требующее отключения реактора» (SSE). Дополнительным требованием является проверка функцио-

Примечание 1 Институт инженеров по электротехнике и электронике 2 Международная Электротехническая Комиссия

нальных возможностей каждого компонента в самых сложных условиях окружающей среды в плане температуры /влажности и после теплового /радиационного процесса старения. В соответствии со стандартами как IEEE, так и МЭК, для оценки компонентов систем могут применяться следующие методы (по отдельности или вместе): – Типовые испытания: Объектом типовых испытаний является выборочный образец оборудования, включая интерфейсы, подвергающиеся серии испытаний, моделирующих влияние различных механизмов старения в нормальном режиме эксплуатации.

– Производственный опыт: Эксплуатационные данные по испытываемому оборудованию или по оборудованию схожего дизайна, успешно работавшему в известном рабочем режиме, могут применяться при квалификационных испытаниях другого оборудования в таких же или менее суровых условиях.

– Анализ: Квалификация с помощью анализа требует логической оценки или математической модели оборудования. Снижение работоспособности с течением времени наряду с экстремальными высокими температурой, давлением, влажностью, радиацией и вибрацией, может ускорить отказы прошедшего квалификационный отбор оборудования, обусловленные общими причинами. В связи с этим необходимо

установить расчётный срок службы оборудования с существенными механизмами старения. Расчётный срок службы – это промежуток времени до наступления проектного события, при котором оборудование доказало своё соответствие требованиям проекта для определённого режима работы [1]. Климатические квалификационные испытания (цикличное влажное тепло)

Цель климатических квалификационных испытаний состоит в том, чтобы доказать, что распределительное устройство продолжает выполнять свои функции обеспечения безопасности до, во время и после изменения влажности и температурных условий окружающей среды. В ходе таких испытаний определяется пригодность оборудования в условиях высокой влажности, совмещённой с циклическими температурными

Система должна быть в состоянии бесперебойно функционировать во время так называемого умеренного землетрясения (ОВЕ), или, в случае очень сильного землетрясения, она должна отключить реактор. изменениями и образованием конденсата на поверхности проверяемого оборудования. В распределительных устройствах среднего напряжения (MV) конденсат, образовавшийся во время температурно-влажностных циклов, может ухудшить изоляционные свойства. Сейсмостойкий выключатель

­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­25

рение, при котором определённые конструкции, системы и компоненты, необходимые для сохранения целостности защитного барьера теплоносителя реактора под давлением, а также возможность отключения реактора и его поддержания в безопасном остановленном состоянии, сохраняют свою функциональность.

2 Цикл климатических испытаний АЭС в г. Дуль Цикл 6 100

Ur% max

95 90

Ur%

Ur% min

85 80

Ur% max

75

Ur% min

Ta°C/Ur%

70 65 Ta

60

Квалификационные испытания на электро-

55

магнитную совместимость (EMC)

50

Ta

45 40

Ta max

35

Ta min

30 Ta

25

4/2/09 9.10 AM

4/2/09 8.10 AM

4/2/09 7.10 AM

4/2/09 6.10 AM

4/2/09 5.10 AM

4/2/09 4.10 AM

4/2/09 3.10 AM

4/2/09 2.10 AM

4/2/09 1.10 AM

4/2/09 12.10 AM

3/2/09 11.10 PM

3/2/09 9.10 PM

3/2/09 10.10 PM

3/2/09 8.10 PM

3/2/09 7.10 PM

3/2/09 6.10 PM

3/2/09 5.10 PM

3/2/09 4.10 PM

3/2/09 3.10 PM

3/2/09 2.10 PM

3/2/09 1.10 PM

3/2/09 12.10 AM

3/2/09 11.10 AM

3/2/09 9.10 AM

3/2/09 10.10 AM

20

Время

Экспертноконсультационный центр концерна АББ, расположенный в г. Дальмине, Италия, предоставил несколько образцов распределительного устройства среднего напряжения для АЭС Европы: Тиханж и Дуль в Бельгии, Чернавода в Румынии, Оскарсхамн в Швеции и Лейбштадт в Швейцарии.

­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­26

AББ Ревю 1|11

Квалификационные испытания сейсмического влияния и воздействия воздушного транспорта

Стандарты МЭК 60980 [2] и IEEE 344 [3] представляют два основных образца для сейсмических квалификационных испытаний безопасности электрического оборудования АЭС. Эти стандарты не определяют спектры ответа, поскольку они могут варьироваться в зависимости от географического района и конструкции здания. Следовательно, такие спектры, как правило, определяются в технической проектной документации. Сейсмические испытания с помощью акселерометра обычно состоят из трёхосных независимых многочастотных испытаний, проводимых на базе регистрации ускорений во времени (графики ускорения в качестве функции времени), искусственно синтезированных из конкретно требуемого спектра ответа (RRS).

RRS принимает во внимание характеристики географического района и несущую конструкцию здания рис. 1. Метод акселерограмм считается наилучшим способом моделирования сейсмической нагрузки во время квалификационных испытаний оборудования. Во время сейсмических испытаний моделировались следующие землетрясения:

OBE/S1: землетрясение порождает ускорение, при котором узлы, предназначенные для бесперебойной работы АЭС без риска для общественной безопасности, сохраняют свою функциональность.

SSE/S2: землетрясение порождает уско-

Оборудование должно также пройти квалификационные испытания для того, чтобы обеспечить полную безопасность в случае высокой электромагнитной нагрузки в случае аварийных ситуаций. Два типа испытаний, воспроизводящих фактическую конфигурацию контрольно-измерительных приборов и автоматики (КИПиА), установленных на оборудовании первичной цепи, включая проводку, осуществляются на всём имеющемся оборудовании. Испытания на помехоустойчивость: Квалификационные испытания на электромагнитную совместимость (EMC) проводятся с целью сверить уровень помехоустойчивости оборудования к электромагнитным возмущениям в широком диапазоне частот. Испытание на объём излучения: Электромагнитные излучения, испускаемые и проводимые проводкой на каждом блоке электрического оборудования, замеряются по широкому спектру. Всесторонние испытания на работоспособность осуществляются для всех функций КИПиА, таких как функции защиты или управления, интегрированные в одну единицу оборудования. Процесс квалификационных испытаний программного обеспечения проводится в соответствии со стандартами МЭК, специально разработанными для АЭС; они указаны в МЭК 60780 [4]. Ответ концерна АББ В распоряжении концерна АББ имеются оборудование, опыт и технические средства обеспечения соответствия требованиям, предъявляемым к АЭС. Экспертно-консультационный центр концерна АББ, расположенный в г. Дальмине, Италия, предоставил несколько образцов распределительного устройства среднего напряжения для АЭС Европы: Тиханж и Дуль в Бельгии, Чернавода в Румынии, Оскарсхамн в Швеции и Лейбштадт в Швейцарии. Для участия в каждом из этих проектов изделия АББ прошли скрупулёзные квалификационные испы-

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

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

5 Пример усиленной деформации конструкции UniGear zS1

тания. Это процесс подтвердил работоспособность оборудования в случае сейсмических событий и в суровых условиях окружающей среды. Помимо собственных изделий, лабораторий и «ноу-хау», концерн АББ также может положиться на специализированное партнёрство с расположенными поблизости современными лабораториями, оборудованными, к примеру, трёхмерным вибростендом; кроме того, АББ может обратиться к группе экспертов по конструкциям для сейсмических событий. Моделирование сейсмических событий при помощи программного обеспечения может обеспечить множество преимуществ для проектов в области ядерной энергетики, так как не требуется ни один опытный образец; следовательно, достигаются более сжатые сроки выполнения графика и снижаются расходы. В 2009 году компания Areva NP, лидер в области проектирования, материальнотехнического снабжения и строительства (EPC) АЭС, подтвердила, что Экспертно-консультационный центр концерна АББ удовлетворяет условиям «разработки и производства распределительного устройства среднего напряжения для АЭС».

ZS1 с целью соответствия требованиям всех заказчиков. Uni-Gear ZS1 представляет собой сочетание консолидированных решений и инновационных компонентов от АББ. Распределительное устройство среднего напряжения подходит для установки в закрытом помещении. Металлические перегородки отделяют ячейки одну от другой и части, находящиеся под напряжением, закрыты воздушной изоляцией. Диапазон аппаратуры для распределительного устройства UniGear ZS1 является самым комплектным из числа всех имеющихся на рынке: он включает вакуумные и газовые а в то м а т и ч е с к и е выключатели и вакуумные контакторы с плавкими предохранителями.

состоящее из 18 панелей Uni-Gear ZS1 с номинальными значениями 12 кВ / 1600 A / 50 кА, оснащённое изолированными выключателями АББ HD4 SF6. Оборудование АББ применяется для распределения энергии, вырабатываемой дизельными аварийными генераторами. Поставленное оборудование было протестировано в соответствии со стандартами IEEE 323 и 344 и техническим заданием заказчика, включавшим требование о проведении климатических и сейсмических испытаний рис. 2.

Распределительное устройство среднего напряжения UniGear zS1 Распределительное устройство среднего напряжения является одним из наиболее важных звеньев в цепи распределения энергии. Концерн АББ разработал распределительное устройство UniGear

Распределительное устройство среднего напряжения является одним из наиболее важных звеньев в цепи распределения энергии. Распределительное устройство UniGear ZS1 производства концерна АББ представляет собой сочетание консолидированных решений и инновационных компонентов от АББ.

Промышленное применение АЭС Дуль является одной из двух крупных атомных эл е к т р о с та н ц и й Бельгии. Бельгийская энергетическая корпорация Electrabel, входящая в концерн GDF SUEZ, является её крупнейшим участником. В 2009 году концерн АББ поставил распределительное устройство среднего напряжения,

Опытное распределительное устройство было идентифицировано таким образом, чтобы включать все характеристики поставляемого оборудования. ПроСейсмостойкий выключатель

­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­27

Распределительное устройство zS1

Помимо собственных изделий, лабораторий и «ноухау», концерн АББ также может положиться на специализированное партнёрство с самыми современными лабораториями. грамма квалификационных испытаний была проведена на этих опытных образцах рис. 3, что позволило достичь успешных результатов. Другой крупной бельгийской станцией является АЭС в городе Тиханж. Основным участником при строительстве АЭС также выступила бельгийская энергетическая компания Electrabel. АЭС оборудована тремя реакторами с охлаждением водой под давлением (PWR) и имеет общую мощность 2985 мегаватт, что составляет 52 процента от всей энергии, производимой бельгийскими АЭС. Концерн АББ заменил 344 выключателя производства фирмы CEM Gardy на выключатели HD4 SF6. Теперь АЭС оснащена 354 автоматическими выключателями (из них 35 запасных) и 34 тележками VT (из них семь запасных). Тележка VT – это часть оборудования, в которой ­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­28

AББ Ревю 1|11

т р а н с ф о р м а то р ы напряжения (VT) установлены на выдвижные тележки. В соответствии с требованиями контракта, замена всех автоматических выключателей и тележек VT должна завершиться в течение 2010 г.; работы на АЭС проводились два года подряд во время плановых отключений на обслуживание. Процесс квалификационных испытаний был задуман в два этапа. Промышленные и ядерные испытания основывались на стандартах МЭК и IEEE для аппаратуры и распределительных устройств среднего напряжения, а также на технических заданиях заказчика. Сейсмические испытания проводились согласно стандартам IEEE в лабораториях компании CESI-ISMES (Италия). АЭС в городе Оскарсхамн является одной из десяти в Швеции. Имея три реактора, станция удовлетворяет примерно 10 процентов общего спроса на электроэнергию в Швеции, и в её реакторах применяется технология реактора с кипящей водой (BWR). В 2009 году концерн АББ поставил четыре распределительных устройства среднего напряжения, каждое из которых включает семь панелей UniGear ZS1 с номинальными значениями 12 кВ / 1600 A / 50 кА, оснащённые выключателями АББ HD4 SF6. Как и в городе Дуль, оборудование концерна АББ применяется для распределения энергии, выработанной дизельными аварийными генераторами, при этом поставленное оборудование прошло квалификационные испытания в соответствии со стандартами IEEE 323 и IEEE 344, а также техническим заданием заказчика, требующим проведения квалификационных испытаний. Сейсмические квалификационные испытания распределительного устройства среднего напряжения проводились как аналитическим, так и практическим методом. Оба испытания проводились в сотрудничестве с лабораториями компании CESI-ISMES, расположенными всего лишь в нескольких километрах от

завода концерна АББ, выпускающего распределительные устройства среднего напряжения рис. 4, рис. 5. Модернизация существующих АЭС В ходе замены устаревшего оборудования осуществлялся монтаж современных комплектующих (первичных переключающих устройств и технологий цифровой защиты/управления) в существующих установках среднего напряжения. Целью данной модернизации была замена только компонентов, с истекшим сроком службы. Поскольку автоматические выключатели управляют током отключения и током замыкания, в отличие от других компонентов распределительного устройства, являющихся статичными, в большинстве случаев именно автоматические выключатели больше всего подвержены старению. Следовательно, автоматические выключатели находятся в заведомо более уязвимом положении, и наилучшим выходом является их замена новыми устройствами. Концерн АББ уже провёл замену выключателей, как своих собственных, так и изготовленных фирмами-конкурентами. Самые дорогостоящие работы были произведены на АЭС Тиханж, где АББ заменила 344 выключателя CEM Gardy на выключатели HD4 SF6. Ренато Пиккардо, Аннунцио Реджантини, Давиде Каттанео, Лючиано Ди Майо Компания АББ Power Products, изделия среднего напряжения, Дальмине, Италия renato.piccardo@it.abb.com annunzio.regantini@it.abb.com davide.cattaneo@it.abb.com luciano.di_maio@it.abb.com

Литература [1] IEEE 323 Стандарт IEEE для квалификационных испытаний оборудования класса 1E для АЭС.

[2] IEEE 344 Рекомендуемые практики проведения сейсмических квалификационных испытаний оборудования класса 1E для АЭС.

[3] МЭК 60780 АЭС – Электрооборудование систем безопасности – квалификационные испытания.

[4] МЭК 60980 Рекомендуемые практики проведения сейсмических квалификационных испытаний электрооборудования систем безопасности АЭС.

Дополнительная литература EN 61000- выпуск 4 Электромагнитная совместимость – Методики испытаний и измерений.

Заглавный рисунок Сейсмографы применяются как для записи реальных землетрясений, так и для мониторинга испытаний на вибростенде.

Лидирующие технологии Современные приводы стана с зубчатым зацеплением, разработанные концерном АББ (часть 1) МАРКО РУФЛИ, МААРТЕН ВАН ДЕ ВИЙФЕЙКЕН – Новейшее

безопасную и надёжную работу с минимальной нагрузкой на

поколение преобразователей частот среднего напряжения

механическое оборудование, а также максимально возможную

даёт отличную возможность улучшения процесса измельчения,

производительность мельницы. В первой части нашей статьи

используемого в горнодобывающей промышленности.

мы расскажем об эксплуатационных преимуществах

Благодаря разработке нескольких специализированных и

внедрения таких функций, а во второй части речь пойдёт о

усовершенствованных рабочих функций для мельниц с

практическом опыте, полученном в ходе эксплуатации данного

зубчатым приводом, применяемых в этой отрасли, это

типа современных систем зубчатого привода мельниц.

поколение приводов обеспечивает бесперебойную, Лидирующие технологии

­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­29

Т

ребования к мельницам можно разделить по следующим категориям: эксплуатация, обслуживание и защита: для бесперебойной и безопасной работы важно в максимально возможной степени избегать возникновения критических ситуаций; функциональные возможности обслуживания должны быть быстрыми и простыми в выполнении; защита системы представляет важность во всех эксплуатационных режимах. Во всех приводах мельниц с зубчатым зацеплением (RMD), а в особенности в системах с двумя зубчатыми венцами рис.

1, механическое воздействие двух двигателей может быть весьма заметным, и поэтому управление этими двумя двигателями должно быть быстродействующим и точным во избежание любого дополнительного воздействия на зубчатые венцы и приводную шестерню. Эти требования могут быть не только выполнены, но и превзойдены новейшим поколением приводов с преобразователем частот среднего напряжения концерна АББ, которые оснащены новыми и специализированными функции привода мельницы. Добавление ещё одного контроллера (то есть контроллера мельницы) не только позволяет включить многие функциональные возможности и защиту для дополнительных применений, но также упрощает взаимодействие между системой привода мельницы и распределённой системой управления заказчика (DCS). Привод оснащён функцией прямого управления моментом (DTC) рис. 2, которая известна как самый передовой способ управления приводами переменного тока, при которой переменные значения двигателя (момент и скорость) напрямую управляются инверторным переключателем. Функциональность как в плане эксплуатации, так и обслуживания может быть добавлена только с помощью использования регулируемых приводов и точного управления, являющихся составной частью конструкции привода. Кроме того, все изначальные особенности привода с преобразователем частот идут на пользу системе и обеспечивают большую управляемость всем процессом дробления. В число таких преимуществ входят чрезвычайно точные измерения крутящего момента и тока, поддержание непрерывности электроснабжения при сбоях в подаче электроэнергии, а также защита от замыкания на землю и от короткого замыкания. На крупных мельницах с зубчатым приво­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­30

AББ Ревю 1|11

1 Высокоскоростной привод мельницы с двумя зубчатыми венцами

С редуктором

Без редуктора

2 Упрощённая схема высокоскоростного привода мельницы с двумя зубчатыми венцами и тихоходного привода с двумя зубчатыми венцами До 36 кВ или 60 Гц

До 36 кВ или 60 Гц

Входит в объём поставки АББ

Входит в объём поставки АББ Привод AC

DC Выпрямитель 1

DC Выпрямитель 2 Общая шина постоянного тока DC

DC AC Инвертор 1

Механическая часть

AC Инвертор 2

Редуктор

AC DC Выпрямитель 1

Электрическая часть

Редуктор

AC

ACS 6000

DC Выпрямитель 2 Общая шина постоянного тока DC

DC AC Инвертор 1

Асинхронные двигатели

Электрическая часть

Привод

ACS 6000

AC

AC Инвертор 2 Синхронные двигатели

Механическая часть

Зубчатый венец

Зубчатый венец

Мельница

Мельница

С редуктором

Без редуктора

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

довательных пуска, работы и останова, а также о том, как система помогает улучшить работу мельницы в целом. Пуск и останов мельницы Последовательность операций по пуску мельницы полностью контролируется системой электропривода; DCS заказчика (или контролируемая оператором панель управления мельницей) должны лишь послать простую команду пуска и значение желаемой скорости работы привода. Для обеспечения плавного и безопасного пуска система привода вначале увеличивает скорость до заранее установленной скорости пуска (как правило, около 10 процентов от номинальной скорости), после чего система поддерживает такой скоростной режим, а также контролирует крутящий момент и угловые координаты мельницы. Как правило, материал в мельнице ссыпается до того, как мельница повернётся на 90 градусов. Тем не менее, если защита от налипшего материа-

1250 1000

125 100 25 0

0

250

500

50

750

75

1500

3 Полная последовательность пуска/останова

0

100

200

300

400

500

600

700

Время (сек) Пуск: от 80 до 118 секунд Работа: от 118 до 550 секунд Останов: от 550 до 690 секунд

Скорость двигателя (об/мин) Момент двигателя (%)

350 250 300 200 150 50 0

0

25

100

50

75

100

125

4 Последовательность пуска с заблокированной защитой от налипшего материала

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

ла заблокирована или «заморожена», материал будет сыпаться с верхней части мельницы после её поворота на 180 градусов. Это может привести к серьёзным повреждениям мельницы и её подшипников, что, в свою очередь, вызовет длительное и незапланированное прекращение её работы. Этого можно избежать с помощью современной технологии управления приводом концерна АББ, которая позволяет приводу точно следовать указанной DCS заказчика скорости, если контроллер мельницы замеряет ссыпание материала по сниженному крутящему моменту до достижения критического угла поворота мельницы рис. 3. Начиная с этого момента, привод находится под полным контролем оператора, и это означает, что привод будет в точности следовать любым изменениям скорости по запросу DCS. Во время пуска существует потенциальный риск падения налипшего материала, который может причинить серьёзные повреждения корпусу мельницы, подшипникам и другим её частям. Контроллер мельницы производства АББ полностью устраняет такой риск; больше не нужно предпринимать никаких действий, например, не требуется вызывать сползание налипшего материала до подачи команды запуска, даже после длительного простоя мельницы. Если в мельнице действительно остался налипший материал, привод продвинется и совершит останов без торможения до достижения критического угла. В двух словах, пуск будет чрезвычайно щадящим для механической части, например, для редуктора, венца и шестерни, поскольку значительные отклонения крутящего момента будут полностью исключены. Часть участка пуска, показанная на рис.

3, увеличена на рис. 4. Самый первый небольшой пик крутящего момента (выделен коричневым цветом) показывает начальный крутящий момент, после которого скорость двигателя медленно и постепенно возрастает, в то время как крутящий момент увеличивается вместе с углом вращения мельницы. При угле примерно 30° (первое основное максимальное значение крутящего момента составляет примерно 94 % от номинального, а второе и максимальное значение равняется 113 %), материал начинает ссыпаться. После выявления ссыпающегося материала, мельница может продолжать работу на малой скорости до достижения непрерывного ссыпания, в соответствии с показаниями постоянного замера крутящего момента. При дости-

85

90

95

Скорость двигателя (об/мин)

100

105 110 Time (s)

115

Момент двигателя (%)

жении угла примерно 200° работа системы становится стабильной, что, наконец, позволяет контроллеру мельницы разблокировать привод таким образом, чтобы он следовал скорости, заданной DCS. Максимальный возможный крутящий момент двигателя может быть ограничен в приводе с разными уровнями пуска (более высокое ограничение крутящего момента, например, 130 % от номинального) и для нормальной работы после пуска (сниженное ограничение крутящего момента, например, 110 процентов от номинального). Являясь щадящим по отношению к механической части, процесс пуска лишь слегка затрагивает и сеть электроснабжения, поскольку, раз двигатель и электросистему разделяет преобразователь ACS 6000, не возникает высокого пускового тока, типичного для двигателей с прямым управлением. Следовательно, ток, поступающий из сети во время запуска, составляет (при максимальном крутящем моменте 112 %) лишь 12 % от номинального. Участок эксплуатации

После того, как контроллер мельницы

120

125

130

Угол мельницы (град.)

В зубчатых приводах мельниц (RMD) механическое воздействие двигателей может быть весьма заметным, и поэтому управление этими двумя двигателями должно быть быстродействующим и точным. разблокирует привод, скорость может задавать оператор в соответствии с требованиями, предъявляемыми производственным процессом. Система электропривода может обеспечивать постоянный крутящий момент в рамках всего диапазона скоростей. ТакЛидирующие технологии

­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­31

350 300 250 200 150 100 50 0

1250 1000 750 500 250 0

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

1500

5 Нормальный режим работы

150

200

250

300

350

400

450

500

Время (сек) Скорость двигателя (об/мин)

Угол мельницы (град.)

Момент двигателя (%)

350 300 250 200 100 150 50 0

125 100

1250 1000

25

50

250 0

0

500

750

75

1500

6 Полная последовательность останова

575

600

625

650

можения, концерн АББ внедрил функцию, названную «управляемый возврат», быстро и управляемо возвращающую мельницу в состояние покоя. Эта функция осуществляется посредством снижения скорости до нуля. После достижения нулевой отметки, система привода медленно переходит в обратное направление, чтобы откатывать мельницу назад до тех пор, пока в системе не останется крутящего момента рис. 6. В это время двигатель работает в качестве генератора, принимая потенциальную энергию, оставшуюся в системе, благодаря наличию материала в мельнице при определённых угловых координатах. В данном типе приводных систем, включающем выпрямительный мост, исключающий возможность подачи электроэнергии обратно в сеть, минимальная скорость для возврата мельницы относительно мала, поскольку вырабатываемая энергия ограничена потерями в системе привода (т.е. в двигателе и инверторном/ частотном преобразователе тока), Концерн АББ также предлагает опцию полностью четырёхквадрантного привода с

675

Время (сек) Скорость двигателя (об/мин)

Момент двигателя (%)

Угол мельницы (град.)

200 190 180 170 160 150 140

100 125 150 75 50 25 0

-10 0

-25

10 20 30 40 50 60 70 80 90

7 Подробный вид управляемого возврата

630

640

650

660

670

680

Для быстрого, лёгкого и безопасного обслуживания мельницы концерн АББ снабдил её контроллер специальными функциями обслуживания.

Время (сек) Скорость двигателя (об/мин)

Момент двигателя (%)

же возможна работа на скорости выше номинальной, но с пониженным крутящим моментом (участок постоянной мощности). На рис. 5 оператор медленно повышает скорость до заданной. После работы на 2/3 от номинальной скорости в течение более одной минуты, скорость мельницы возрастает вплоть до максимальной в размере почти 1500 об/мин (номинальная скорость двигателя). Хотя скорость немного скачет во время увеличения (мо­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­32

AББ Ревю 1|11

Угол мельницы (град.)

мент ускорения составляет примерно 7 процентов от номинального крутящего момента), момент остаётся вполне стабильным по всему спектру скоростей. Последовательность останова с управляемым возвратом При поступлении команды на останов от DCS, контроллер мельницы принимает на себя полное управление процессом останова. Чтобы избежать ненужных и длительных раскачиваний мельницы вперёд и назад, вызванных остановом без тор-

активным выпрямителем, позволяющим энергии торможения поступать обратно в питающую сеть. Эта опция заметно снижает время, необходимое для возврата мельницы в исходное положение. На рис. 7 показан крупный план зоны управляемого возврата (с рис. 6). После снижения скорости мельницы, когда мельница находится в неуравновешенном положении, двигатель вначале создаёт положительный крутящий момент, достаточный для того, чтобы поддерживать мельницу с неуравновешенным материалом. Небольшое снижение крутящего момента изменяет направление вращения, что заставляет мельницу плав-

Последнее поколение преобразователей частот среднего напряжения концерна АББ предоставляет отличную возможность усовершенствовать процесс измельчения, применяемый в горнодобывающей промышленности.

200 150 100 50 0

0 -250

-50

250 500 750 1000 1250 1500

8 Останов без торможения (на качающейся мельнице)

475

500

525

550

575

600

625

650

Время (сек) Угол мельницы (град.)

Скорость двигателя (об/мин)

0

50

100 150 200

9 Потеря хода при останове без торможения

-200 -150 -100 -50

но возвращаться в исходное положение до достижения равновесия. Данные на рис. 7 чётко указывают на то, что крутящий момент (прилагаемый к зубцам венца) всегда остаётся положительным в течение всего процесса, благодаря чему не возникает потери хода или контакта между венцом и шестернёй. Если же потеря хода всё же произойдёт, это станет заметным благодаря падению крутящего момента до нуля или ниже. В данной конфигурации скорость двигателя во время управляемого возврата составляет всего лишь 12,8 об/мин, то есть примерно 0,85% от номинальной! Другими словами, мельница плавно и с полной управляемостью возвращается в исходное положение со скоростью примерно 0,1 об/мин. Даже на столь низкой скорости работа системы остаётся стабильной благодаря передовой технологии прямого управления моментом (DTC), разработанной в концерне АББ. Кроме того, время от достижения нулевой скорости до нулевого крутящего момента (т.е. мельница останавливается без перекосов и отклонений) составляет приблизительно 55 секунд. Хотя такой режим быстрее обычной остановки без торможения, применение четырёхквадрантного преобразователя ещё больше снизит это значение. Если взглянуть на угловую характеристику (на рис. 7), можно заметить, что мельница вернулась на 30 градусов, примерно со 178 градусов до приблизительно 148 градусов (т.е. угловая характеристика понизилась после того, как скорость мельницы стала минимальной примерно

525,0

257,5

530,0

532,5

535,0

537,5

540,0

542,5

545,0

Время (сек) Скорость двигателя (об/мин)

на 630-й секунде). Эта характеристика отлично совпадает с измеренным углом ссыпания во время запуска, показанным на рис. 4. Останов без торможения (качающаяся мельница) Чтобы полностью оценить явные преимущества регулируемой работы привода и, следовательно, управляемого возврата, останов без торможения после достижения номинальной скорости был протестирован на той же самой мельнице. Тест показал, что время, в течение которого мельница пришла в состояние полного покоя (т.е. когда прекратились раскачивания мельницы назад и вперёд) после получения команды «останов», составило примерно 180 секунд рис. 8. При более внимательном рассмотрении, сигнал частоты вращения двигателя (измеряемый установленным на нём тахометром) на рис. 9, становится очевидной потеря хода (показана стрелками) между зубцами венца и шестернёй. Причина этого явления следующая: шестерня приводит двигатель, который должен ускоряться и замедляться из-за своей инерции. Во время процесса замедления,

зубец шестерни несколько раз касается зубца венца для снижения скорости вращения двигателя. Это вызывает не только потерю хода, но и существенный износ зубцов. Функции обслуживания Для быстрого, лёгкого и безопасного обслуживания мельницы концерн АББ оснастил контроллер мельницы специализированными функциями обслуживания. Малый ход

Малый ход, обычная функция, применяемая для обслуживания мельниц, есть ничто иное, как проворачивание мельницы на самой малой скорости в целях обслуживания, например, визуальной проверки подшипников или ручного позиционирования футеровки. В мельницах общего назначения, в которых применяются двигатели с фиксированной скоростью вращения, для системы главного привода необходим вспомогательный двигатель с редуктором для функции малого хода. Системы мельничных приводов концерна АББ могут обеспечить высокий крутящий момент на малой скорости, таким образом делая малый ход возможным с помоЛидирующие технологии

­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­33

0

-25

-50

0

0

-25

50

100 150 200 250 300 350

50 25

25

50

75

75

100

100

10 Малый ход

100

150

200 Время (сек)

250

Момент двигателя (%)

Скорость двигателя (об/мин)

300

Угол мельницы (град.)

100

200 150 100

75

75 25

50 0

-25

0

25 0

50

50

100 125 150 175

11 Процесс автоматического позиционирования с углом 180 градусов

470

480

490

500

510

520

530

540

550

560

Время (сек) Скорость двигателя (об/мин)

Момент двигателя (%)

Угол мельницы (град.)

зить время простоя и повысить производительность. Оператор на местной панели управления или на DCS заранее выбирает режим позиционирования, направления вращения, желаемый угол и количество футеровки. Функция автоматического позиционирования, требующая поворота на 180 градусов, изображена на рис. 11: материал сыпется под углом 27 градусов; привод продолжает работать на малой скорости в течение определённого времени до замедления; на нулевой скорости угловые координаты мельницы составляют 209 градусов, при этом крутящий момент достигает 94 процентов от номинального (что означает полную загрузку мельницы); затем привод начинает работать в обратном направлении, постепенно снижая крутящий момент. К тому времени, когда привод остановится (через 101,6 секунды), мельница повернётся на 179,2 градуса, то есть погрешность составит всего лишь полпроцента! В данном примере оптимальная скорость позиционирования была установлена на уровне 158 об/ мин, что соответствует 10,5 процента (обычно 10 процентов) от номинальной. На этой скорости погрешность угловых координат была нижё одного процента при всех испытаниях. Защита от деформации

Функция автоматического позиционирования позволяет оператору точно поворачивать мельницу под любым желаемым углом или с любым числом рядов футеровки. щью главного привода. Команду на малый ход желательно подавать с местной панели управления, но возможна и дистанционная подача команды с DCS. Процедура пуска полностью управляется контроллером мельницы, и защита от налипшего материала активируется при выборе режима малого хода. Скорость малого хода составляет обычно 5 процентов от номинальной, но ­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­34

AББ Ревю 1|11

её можно отрегулировать в диапазоне от 1 до 10 процентов уже после успешного запуска. Вся последовательность действий при малом ходе показана на рис. 10. Скорость малого хода установлена на уровне 48 об/мин или 3,2 процента от номинальной; ссыпание материала выявляется при угловых координатах мельницы 23,5 градуса и крутящем моменте в размере 73 процентов от номинального. Оператор сохраняет такую скорость работы мельницы до достижения 420 градусов до подачи команды на останов, заставляя контроллер мельницы снижать скорость и осуществлять управляемый возврат, пока мельница не придёт в состояние полного покоя перед тем, как остановить работу привода. Последовательность действий при автоматическом позиционировании

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

Даже в том случае, когда деформация не является серьёзной проблемой для мельниц, применяемых в горнодобывающей промышленности, эта функция, тем не менее, может использоваться во время длительных перерывов в работе мельницы (например, при техническом обслуживании) для предотвращения налипания измельчаемого материала. От оператора требуется всего лишь заранее выбрать режим защиты от деформации и предпочтительное направление вращения до подачи команды на запуск. Затем контроллер мельницы осуществит поворот на 180 градусов в точности так, как изображено на рис. 11. Механизм для удаления налипшего материала

Как известно, налипание материала обычно происходит на шаровых мельницах. После выявления такого случая налипший материал необходимо удалить; это, как правило, осуществляется вручную, что может вызвать длительный простой оборудования. Особые функциональные возможности мельниц производства концерна АББ не только защищают мельницу от падения налипшего материала, но также имеют

75

200 150 50 0

100

50

50

0 -25

25 0 -25

25

75

12 Механизм для удаления налипшего материала с управляемым возвратом

4290

4295

4300

4305

4310

4315

4320

4325

4330

4335

4340

4345

Время (сек) Момент двигателя (%)

Скорость двигателя (об/мин)

Угол мельницы (град.)

13 Крутящий момент механизма для удаления налипшего материала

ме вскоре после запуска мельницы, происходит в виде последовательности фаз ускорения и замедления для разрыхления налипшего материала. Амплитуда таких приложений является фиксированным относительным значением фактического крутящего момента, добавляемым к системе, и её можно регулировать во время пуска в эксплуатацию. Как показано на рис. 13, максимальная амплитуда самого высокого крутящего момента составляет 19,2 процента от номинального. Поскольку крутящий момент и скорость всегда положительны, и операция осуществляется в том же самом (т.е. первом) квадранте, не произойдёт эффекта потери хода между венцами и шестернёй.

250 200

70 60

более привлекательными в плане эффектив150

ности эксплуатации и обслуживания. Но эта

100

приводная система также поставляется для приводов мельниц с двумя венцами, т.е. когда

50

10 0

два двигателя механически соединены друг с другом с помощью шестерни и, таким обра-

0

70 80

изводства концерна АББ делают мельницы

50 40 30

10 20 0

30 40 50 60

Специализированные функции мельниц про-

20

90 100

Продолжение следует …

4290.0

4292.5

4295.0

4297.5

4300.0

4302.5

Скорость двигателя (об/мин)

Момент двигателя (%)

зом, они совместно приводят мельницу в движение. Это, безусловно, требует равномерно-

Время (сек) Угол мельницы (град.)

го распределения нагрузки. Во второй части статьи мы расскажем, используя фактические замеры, о поразительной точности привода

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

фактического крутящего момента к системе, в то время как защитные функции, такие как ограничение крутящего момента и тока, действуют так, как если бы мельница продолжала работать в обычных условиях. Благодаря этому механическая часть никогда не подвергается нагрузке, превосходящей значения, имеющие место в нормальных условиях эксплуатации. Функции механизма для удаления налипшего материала могут применяться в прямом и обратном направлениях. Полная последовательность функций механизма для удаления налипшего материала при прямом направлении вращения и при управляемом возврате показана на рис. 12, а крупный план первого этапа этой последовательности изображён на рис. 13. Крутящий момент, также отражаемый изменениями скорости вращения, прилагается к систе-

Специализированные функции мельниц производства концерна АББ делают мельницы привлекательнее в плане эффективности эксплуатации и обслуживания. стеме. Оптимальная амплитуда и продолжительность такого приложения определяется и устанавливается при пуске в эксплуатацию. Амплитуда приложения крутящего момента определяется путём добавления определённого процента

среднего напряжения с двумя зубчатыми венцами 2×5.

Марко Руфли Маартен ван де Вийфейкен ABB Switzerland Ltd. Баден-Детвиль, Швейцария marco.rufli@ch.abb.com maarten.vijfeijken@ch.abb.com

Дополнительная литература [1] Ravani von Ow, T., Bomvisinho, L. (2010). Применение новейших технологий для соответствия требованиям эксплуатации мельниц. Работа была представлена на 42-ой Конференции горнодобывающих предприятий Канады, Оттава, Канада.

[2] Ravani von Ow, T., Gerhard, B. (2010). Мельницы с зубчатым приводом, оснащённым преобразователем частот (нечто большее, чем просто регулируемая скорость) Работа была представлена на ежегодном заседании SME, Феникс, штат Аризона, США.

Заглавный рисунок Новейшее поколение преобразователей частот среднего напряжения концерна АББ применяется на меднодобывающем предприятии компании Boliden Aitik в Швеции.

Лидирующие технологии

­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­35

На берегу и в море Взгляд на технологии, применяемые на берегу и на борту морских судов, а также пример унификации подачи электроэнергии с берега на судно

ЛУТЦ ТУРМ, ИСМИР ФАЗЛАДЖИЧ, ТОРСТЕН ХАРДЕР, КНУТ МАРКВАРТ – В статье рассматривается масштаб воздействия на окружающую среду в районе морского порта. Правительства, портовые власти и владельцы морских судов изучали различные возможные решения, направленные на уменьшение выбросов судов во время портовых операций. Одним из таких найденных решений было подсоединение находящихся в акватории порта судов к источнику питания на берегу, при котором электроэнергия из наземной сети используется для питания судовой инфраструктуры, применяемой для обеспечения комфорта экипажей и пассажиров во время стоянки, а также для выгрузки и погрузки. Принимая во внимание неизбежную унификацию подачи энергии с берега на судно, практическое воплощение такого решения, возможно, поможет портовым властям и владельцам судов снизить вредные выбросы в районе порта.

­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­36

AББ Ревю 1|11

Д

авайте рассмотрим пример подачи электроэнергии с берега на судно рис. 1: Экологические характеристики электричества, вырабатываемого электростанциями на берегу в сравнении с дизельными двигателями судна, работающего на котельном топливе, являются одним из основных преимуществ данной технологии. С помощью производимой на берегу электроэнергии1, регулирующие органы могут находить ответы на конкретные местные проблемы (загрязнение) посредством конкретного решения, подходящего именно для данного места (подача электричества с берега). Для морских портов возможность подачи энергии на суда, находящиеся в гавани, позволяет организовать более эффективную и энергоёмкую подачу электрического питания. Кроме того, инвестиции в инфраструктуру остаются стабильными в течение десятилетий при наличии долговременных прибылей. Для проживающих в районе порта людей появляется дополнительное преимущество: снижение шума и вибрации вблизи гавани, а в связи с унификацией подачи электроэнергии с берега на судно, инвестиции в технологии становятся более обоснованными. Береговые технологии Технологии, необходимые для обеспечения подачи электроэнергии с берега на пришвартованные у пирса суда, не являются каким-либо инновационным оборудованием. На сегодняшний день инженеры могут использовать уже зарекомендовавшие себя технологии для развития надёжной инфраструктуры передачи электроэнергии особо уделяя внимание таким техническим вопросам, как безопасное управление кабельными системами. Стоимость оборудования варьируется в самом широком диапазоне в зависимости от конкретных потребностей порта и электроэнергии, которую он сможет обеспечить. Дополнительные инвестиции обусловлены строительством и монтажными работами на причале и потенциальными потребностями, относящимися к расширению общей портовой электросети. Электроснабжение в порту, как правило, похоже на электроснабжение небольшого завода, при котором электричество необходимо для питания разгрузочно-погрузочной инфраструктуры на берегу, в которую входят краны, транспортёры и потальные краны, охлаждение, подогрев

1 Общий вид снабжения судна электроэнергией с берега

cc

b a

1a Трансформатор и распределительное устройство 1b Преобразователь 1c Соединитель

и прочие мелкие объекты. У большинства портов есть доступ к источникам энергоснабжения для подачи питания таким потребителям с дополнительными 2-3 мегаваттами для второстепенных потребностей. С учётом того, что потребности судна в электричестве при нахождении в акватории порта могут достигать 10 мегаватт в зависимости от типа судна, энергетической инфраструктуры во многих портах будет недостаточно, чтобы обеспечить достаточную подачу электроэнергии без существенного расширения своей собственной электросети. В этом случае могут потребоваться инвестиции в строительство новой подстанции или установку новой входящей линии электропередачи большей мощности; оба варианта потребуют переговоров с поставщиком электроэнергии в данный порт. Энергетические решения, основанные на береговой инфраструктуре, часто включают всю цепочку с входящей подстанции, трансформаторы и преобразователи частот для приведения судовой электросети в соответствие напряжению и частоте общей электросети Такое решение позволит осуществить одновременное подключение нескольких судов с частотой 50 и 60 Гц независимо от частоты местной сети. Такие решения также

включают соединительную кабельную проводку и терминалы пирса. Для каждой береговой точки подсоединения к электросети порт или терминал должен предоставить выделенный трансформатор, служащий для двух целей. Вопервых, он обеспечивает требуемую гальваническую развязку (неметаллическое прямое соединение между электросетью на суше и внутренней системой судна) таким образом, чтобы замыкание

Электроснабжение в порту, как правило, похоже на электроснабжение небольшого завода, при котором электричество необходимо для питания разгрузочно-погрузочной инфраструктуры на берегу. на землю электросети судна не представляло опасности для портовой сети и наоборот. Во-вторых, трансформатор уменьшает напряжение тока с оптимизированного для распределения уровня (например, 20 кВт) до одного или

Footnote 1 Подача электроэнергии с берега на судно известна также под названием «холодная глажка», подача питания с суши, альтернативная судовая энергия (AMP) или береговое подсоединение.

На берегу и в море

­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­37

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

a Статический преобразователь частот АББ PCS100

двух уровней напряжения, принятых в качестве стандарта для соединения между берегом и судном: 11 или 6,6 кВ в зависимости от судна. Каждая береговая точка подсоединения к электросети требует распределительного устройства среднего напряжения с автоматическим переключателем заземления. В сущности, распределительное устройство прерывает подачу энергии, а переключатель гарантирует, что в кабелях между берегом и судном во время обслуживания и подсоединения не остаётся никакой энергии. Поскольку самый высокий риск, связанный с береговыми точками подсоединения к электросети – это травмы персонала, работающего с кабелями и системами, наличие такого распределительного устройства является критически важным.

ти требуют преобразования частоты. Статические преобразователи частот обеспечивают экономичное решение подсоединения любого судна к любой сети независимо от требуемой частоты. В зависимости от расположения портовых сооружений, централизованное решение с одним преобразователем может обслуживать множество судов и причалов. Благодаря малой занимаемой площади, преобразователи подходят к зданию или помещению любой подстанции наряду с компактным распределительным устройством и трансформаторами. Кроме того, преобразователи частоты улучшают общее качество электроэнергии портовой электросети с помощью повышения коэффициента мощности и стабилизации напряжения и частоты. В зависимости от проектных требований, применяются низковольтные преобразователи PCS100 или средневольтные PCS6000 рис. 2. Наконец, портовая инфраструктура для подачи электроэнергии с берега на судно должна включать систему автоматизации и связи, которая позволяет обслуживающему персоналу координировать подсоединение кабелей и синхронизировать электрическую нагрузку судна с подачей питания с берега. Это стало возможным с помощью двух выносных терминалов (RTU), одно из которых находится на борту судна, а второе – на берегу, оснащённые Ethernet-связью через оптоволоконный кабель.

Многие из современных судов с оборудованием для подключения к наземной сети были переоснащены, а не были построены уже с установленным оборудованием. Статический преобразователь частот необходим для большинства береговых точек подсоединения к электросети рис. 2. Большинство судов работает на частоте 60 Гц, тогда как частота местных сетей во многих странах мира составляет 50 Гц рис. 3. В результате, большинство береговых точек подсоединения к электросе­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­38

AББ Ревю 1|11

b Статический преобразователь частот АББ PCS6000

Система береговых точек подсоединения к электросети позволяет экономить драгоценную причальную площадь. Входная подстанция может быть удобно расположена на расстоянии до 10 километров от причального трансформатора и панелей среднего напряжения, которые непосредственно подают электроэнергию на судно. Со стороны причала имеется лишь один небольшой и надёжно закреплённый контейнер размером с комнату, в котором размещается силовой трансформатор, распределительное устройство среднего напряжения с автоматическим переключателем заземления, устройства защиты и управления и интерфейс оператора. Основное преимущество компактной береговой инфраструктуры заключается в том, что она обеспечивает бесперебойную работу в доке и может выполняться в мобильной версии. Технологии на борту судна Чтобы использовать полученную с берега электроэнергию, суда должны быть при постройке или модернизации оснащены оборудованием, позволяющим осуществлять соединение с портовой электросетью, синхронизирующим передачу энергии с берега на судно и подсоединяющим входящую электроэнергию к силовой сети вспомогательных механизмов судна. Можно безопасно переоборудовать судно в сравнительно короткие сроки, как в плавании, так и при нахождении в сухом доке без длительного простоя. Вначале, вырабатываемая на суше электроэнергия, должна подаваться на борт через кабели рис. 4, 5. В некоторых случаях, в частности для контейнеровозов и трейлерных судов для перевозки автомобилей, кабель устанавливается на судне и спускается через бобину или барабан к

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

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

50 Hz 60 Hz 50/60 Hz

причалу, где его подсоединяют к сети. На круизных судах кабель всегда находится на берегу с небольшим встроенным гидравлическим рукавом для направления. Когда система управления кабельной системой расположена на берегу, электрическое подсоединение на корабле осуществляется с помощью панели соединительной арматуры для приёма энергии с берега рис. 6. В большинстве случаев такая панель должна располагаться вблизи корпуса судна и в пределах удобной досягаемости для тяжёлых кабелей на берегу. Береговая соединительная панель содержит автоматический выключатель, релейную защиту, физическое электрическое подсоединение (штепсель и кабель заземления) и интерфейс управления с интегрированной судовой системой автоматизации или системой управления энергией. Эти системы позволяют синхронизировать поступающую электроэнергию с дизельными вспомогательными двигателями судна до передачи нагрузки. Береговая соединительная панель АББ состоит из двух электрошкафов, габариты которых варьируются в зависимости от номинальной мощности. Данное оборудование среднего напряжения должно устанавливаться в специально выделенном помещении. На судах, использующих обычную механическую тягу (при которой дизельные двигатели непосредственно приводят в действие винты судна, в противоположность дизельной электрической тяге), низковольтная вспомогательная энергосистема судна, с напряжением, как правило, 400 - 690 В, требует, чтобы питание, получаемое трансформатором с берега,

составляло 11 или 6,6 кВ. Этот трансформатор является относительно большим и громоздким, но, в отличие от береговой соединительной панели, он может быть установлен в машинном отделении или в любом другом подходящем месте на борту судна. Процесс соединения и отсоединения судна от поступающего с берега электропитания занимает от пяти до 30 минут. На борту судна старший механик или специально обученный член команды, знакомый с системой управления энергообеспечением судна, следит за подачей электроэнергии. Управление кабельной системой может осуществляться как морским, так и портовым персоналом, прошедшим соответствующее обучение работе с оборудованием среднего напряжения. По крайней мере, одна компания начала проводить исследования с целью создания автоматизированной системы для подключения кабелей к судну для повышения безопасности и экономии времени. В настоящее время большинство судов, оборудованных инфраструктурой для приёма электроэнергии с берега, являются контейнеровозами, и многие проектировщики морских судов включают эту инфраструктуру в свои проекты или оставляют место для её размещения. Многие из современных судов с оборудованием для подключения к наземной сети были переоснащены (т. е. оборудование было дополнительно установлено на существующее судно), а не были построены с установленным оборудованием. Тогда как лишь немногие технологии, установленные на судах для получения электроэнергии с берега, являются новыми, обычно вся система должна проекти-

МЭК, ISO и IEEE объединили свои усилия в создании стандарта, который сделает возможным чётко и однозначно унифицированное подсоединение для подачи электроэнергии с суши. роваться в зависимости от конкретного случая для каждой установки. Даже если соединение унифицировано, проект судна не является таковым, означая то, что проблемы с местом, доступностью, взаимодействием с системой управления электроэнергией и дизельными двигателями – всё это требует рассмотрения и оценки до установки. Концерн АББ разработал решения под ключ, включающие весь объём поставки, с минимальным простоем судна. Стандартизация системы подсоединения питания между берегом и судном Чтобы сделать поставки электроэнергии с берега на судно экономически привлекательными для портов и владельцев судов, характер и расположение подсоединений электроэнергии должен быть приведён к единому стандарту. Ни владеНа берегу и в море

­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­39

5 Подача электроэнергии с берега на судно с помощью оборудования АББ в Гётеборге (Швеция)

лец порта, ни собственник судна не смогут обосновать необходимость инвестиций в дорогостоящее оборудование для соединения с береговой электросетью без уверенности в том, что такая система сохранит свою функциональность во многих юрисдикциях и в течение определённого периода времени. Работа над общим стандартом подачи электроэнергии на пришвартованные суда с берега стартовала в начале 2005 года. В число основных участников этой

С помощью производимой на берегу электроэнергии, регулирующие органы могут находить ответы на конкретные местные проблемы (загрязнение) посредством конкретного решения, подходящего именно для данного места (подача электричества с берега).

Footnote 2 МЭК – международная комиссия по электротехнике; ISO – Международная организация по стандартизации; IEEE – Институт инженеров по электротехнике и электронике (США)

­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­40

AББ Ревю 1|11

6 Береговая панель подсоединения производства АББ

работы вошли поставщики технологических решений, правительственные органы, владельцы судов (в частности, круизных судов, танкеров и контейнеровозов), классификационные общества и другие. МЭК, ISO и IEEE2 объединили свои усилия для создания стандарта, который сделает возможным чётко и однозначно унифицированное подсоединение подачи электроэнергии с суши.

разительно, что единый стандарт был бы просто невыполним. В результате были разработаны четыре отдельных, но взаимосвязанных стандарта – один для трейлерных судов, один для контейнеровозов, один для круизных лайнеров и ещё один для танкеров. Кроме того, существуют два основных стандартных напряжения для подсоединения питания – 11 кВ и 6,6 кВ.

Такой стандарт коснётся спецификаций, монтажа и тестирования береговых систем подач электроэнергии, станций и систем: – Береговая распределительная система – Подсоединение между берегом и судном – Трансформаторы/реакторы – Полупроводниковые и вращающиеся преобразователи – Судовые системы распределения – Управление, наблюдение, блокировка и системы управления энергией Цель работ по стандартизации состояла в том, чтобы определить требования о том, что «техническая поддержка с применением подходящих операционных методов соответствующих судов для быстрого подсоединения к соответствующим береговым сетям электропитаниями высокого напряжения посредством соответствующего соединения между берегом и судном» [1]. Это должно устранить необходимость для судов или эксплуатантов порта приспосабливать или регулировать свою инфраструктуру таким образом, чтобы сделать подсоединение энергии возможным. Было решено отказаться от первоначальной цели, заключавшейся в создании единого и глобального стандарта подсоединения для всех судов во всех портах. Потребности в электроэнергии и мощность судов отличаются настолько

При наличии единого стандарта, инвестиции со стороны судовладельцев и портовых властей в системы электроснабжения судов с берега должны значительно возрасти. Окончательная редакция стандарта близка к утверждению.

Лутц Турм АББ, отдел судового оборудования lutz.thurm@us.abb.com Измир Фаладжич АББ, отдел берегового оборудования ismir.fazlagic@se.abb.com Торстен Хардер АББ, отдел преобразователей частот thorsten.harder@ch.abb.com Кнут Маркварт АББ, отдел маркетинга и работы с клиентами knut.marquart@ch.abb.com

Дополнительная литература – Marquart, K., Haasdijk, T., Ferrari, GB, Schmidhalter, R. Подача энергии с берега на судно: решение «под ключ» концерна АББ существенно снижает выбросы в порту. «АББ Ревю» 4/2010, стр. 56–60.

– www.abb.com/ports

Литература [1] МЭК/PAS 60092-510. Редакция 1.0 (Апрель 2009 г.). Электрическое оборудование судна – Часть 510: Особенности – Высоковольтные системы подачи электроэнергии с берега. Взято в сентябре 2010 г. с сайта http://webstore.

IEC.ch/preview/info_ IECpas60092510%7Bed1.0%7Den.pdf.

Пятиуровневый преобразователь Технология ANPC-5L и привод ACS 2000 ФРЕДЕРИК КИФЕРНДОРФ, МИХАЭЛЬ БАСЛЕР, ЛЕОНАРДО

дальной формы по причине формирования его из прямоуголь-

СЕРПА, ЯН-ХЕННИНГ ФАБИАН, АНТОНИО КОЧЧИА, ГЕРАЛЬД

ных импульсов. Различие может быть достаточным для того,

ШОЙЕР – Современная силовая электроника вызвала револю-

чтобы сделать невозможным использование привода во многих

ционные изменения в передаче и потреблении электроэнергии.

применениях, требующих более высокого «качества» напряже-

В области применения электроприводов способность произ-

ния переменного тока. Одним из способов сделать энергоэф-

вольно выбирать, а также непрерывно изменять частоту и

фективные преимущества электроприводов доступными для

амплитуду выходного напряжения инвертора способствовала

более широкого применения является увеличение количества

существенному увеличению эффективности использования

уровней напряжения постоянного тока. Привод ACS 2000

электроэнергии и возможности ею управлять. Инверторы

концерна АББ выходит за пределы обычно используемых трёх

формируют напряжение переменного тока путем переключения

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

с высокой частотой различных уровней напряжения постоянного

благодаря своей оригинальной топологии, он помогает избежать

тока с помощью полупроводников. Форма выходного сигнала,

многих проблем, которые могли бы сделать пятиуровневый

созданного таким образом, отличается от «идеальной» синусои-

преобразователь чрезмерно усложнённым. Пятиуровневый преобразователь

­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­41

И

нвертор (устройство, преобразующее постоянный ток в переменный) работает по принципу переключения между различными уровнями напряжения постоянного тока. Таким образом, на выходе получается не синусоидальная форма выходного сигнала, а высокочастотные прямоугольные импульсы, которые формируются для создания формы выходного сигнала, максимально схожей с синусоидой рис.

1с. Здесь можно привести одну аналогию: возьмём цифровую фотографию, сделанную с низким разрешением. Изображение на такой фотографии не будет в точности соответствовать оригиналу, поскольку малое количество пикселей ограничивает уровень детализации изображения. Возможность как можно точнее воспроизвести идеальную синусоидальную волну с помощью прямоугольных импульсов подобным же образом ограничена количеством доступных уровней напряжения. Тем не менее, в отличие от фотографии, разница заключается не только в эстетических аспектах: синусоида неидеальной формы порождает гармоники (ток и напряжение более высокой частоты), которые могут стать причиной ряда негативных последствий: от перегрузки изоляции и подшипников электродвигателя до создания помех для другого оборудования. Фильтры подавления гармоник могут использоваться для сглаживания выходного сигнала путем поглощения проблемных гармоник, но они вызывают как дополнительные финансовые расходы, так и дополнительные потери энергии. Чтобы как-то справиться с воздействием таких гармоник, двигатели должны проектироваться с учётом дополнительных нагрузок (что исключает применение многих каталожных стандартных электродвигателей), или же такие преобразователи не смогут быть использованы в существующие применения. Следовательно, это веский довод в пользу преобразователя, который может создавать более правильную синусоиду выходящего тока. Уровни инвертора Самый простейший инвертор представляет собой двухуровневый преобразователь. Он называется двухуровневым, поскольку в нём существуют только два уровня напряжения: прямое и обратное питающее напряжение постоянного тока. Трёхуровневый преобразователь со средней точкой (NPC) является продолжением данной концепции, и в нём суще-

­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­42

AББ Ревю 1|11

ствует напряжение средней точки (нейтрали) рис. 1a; он может формировать уровни выходного сигнала, которые изображёны на рис. 1с. Преобразователи проектировались таким образом, чтобы выйти за пределы описанных ограничений и вырабатывать пять уровней напряжения. Тем не менее, такие топологии часто достигаются ценой куда более высокой сложности конструкции. Например, если из напряжения постоянного тока должно вырабатываться пять, а не три уровня выходного напряжения, он потребует дополнительных фиксирующих диодов и конденсаторов, а также соответствующей схемы управления и контроля зарядки конденсаторов. Альтернативный подход заключается в последовательном подключении преобразователей, что опять-таки усложняет цепи постоянного тока из-за необходимости гальванической развязки цепей питающего напряжения и, следовательно, применения дорогостоящих трансформаторов. Такие решения могут быть приемлемы для больших мощностей, но менее мощные средневольтные приводы требуют более простых решений. Концерн АББ решил вплотную заняться этими проблемами и нашёл решение, которое может давать на выходе пять уровней выходного напряжения без усложнения цепей постоянного тока. Трёхуровневое звено постоянного тока само по себе не может дать пять уровней напряжения, и поэтому контуру требуется дополнительный конденсатор на фазу выходного напряжения. Но оригинальность решения, найденного специалистами АББ, состоит в том, что конденсатор остаётся в заряженном состоянии без необходимости наличия отдельной схемы управления зарядом конденсатора. Технология ANPC-5L Принципиальная схема пятиуровневого преобразователя с активной средней точкой (ANPC-5L) показана на рис. 2a. Зарядка фазового конденсатора Cph поддерживается на уровне половины от напряжения конденсаторов звена постоянного тока, т.е. одной четверти от общего напряжения звена постоянного тока. Общий принцип работы схемы может быть охарактеризован как трёхуровневый NPC-преобразователь плюс дополнительный конденсатор. Этот фазный конденсатор переключается последовательно с трёхуровневым преобразователем по мере необходимости и обеспечивает два дополнительных промежуточных уровня напряжения на выходе. Звено по-

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

C s

V DC

C

i

V

- DC

1a Принцип работы

+ DC VDC

C

V DC

C

- DC

1b Цепь

Выход преобразователя Несущая частота

1c Форма выходного напряжения (пример)

Технология ANPC5L требует всего лишь одного дополнительного конденсатора на фазу в сравнении с трёхуровневым преобразователем NPC.

стоянного тока идентична звену постоянного тока трёхуровневого NPC преобразователя. Топология ячейки 1 на рис. 2b полностью идентична топологии аналогичной ячейки трёхуровневого NPCпреобразователя рис. 1b. По аналогии с такой схемой, ключи в виде биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT) в ячейке 1 имеют номинальное значение в размере половины напряжения звена постоянного тока. Поскольку дополнительный конденсатор заряжен на четверть от напряжения звена постоянного тока, номинальное значение IGBT в ячейках 2 и 3 определено для такого пониженного напряжения. Применение устройств со сниженным напряжением способствует простоте устройства преобразователя. Простота и практичность дизайна проявляются ещё более отчётливо, если принять во внимание то, что требуется лишь один дополнительный конденсатор на фазу в сравнении с трёхуровневым NPC-преобразователем. Преобразователь обеспечивает полную четырёхквадрантную функциональность (энергия преобразуется в обоих направлениях). Принцип работы ANPC-5L Ключи ячейки 1 (на рис. 2b) работают в качестве дополнительных устройств, при этом S1и Snp2 работают синхронно вместе (подобным же образом работают S4 и Snp1). Ключи ячейки 2 работают в противофазе друг другу, также как и ключи в ячейке 3. Общее количество режимов переключений на фазу показано на рис. 3. Всего возможны восемь режимов. Поскольку конвертер имеет всего пять уровней выходного сигнала, некоторые режимы оказываются излишними. Тем не менее, вместо того, чтобы полагать, что некоторые режимы преобразователя не используются, лучше посмотреть на рис. 3, чтобы обнаружить, что для двух из трёх якобы излишних пар режимов, а именно V1/V2 и V5/ V6, обратный эффект может быть оказан на зарядку конденсатора фазы. На рисунке рис. 4 сравниваются V5 и V6, а также показано, как V6 вычитает VDC/2 из напряжения звена постоянного тока, тогда как V5 добавляет его к напряжению на нейтрали. В результате ток проходит через конденсатор фазы в обратном направлении. Эта особенность может использоваться для поддержания требуемого напряжения на конденсаторе фазы без дополнительной схемы зарядки.

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

+ DC VDC

Ячейка 1

S1 Ячейка 2 Ячейка 3

C +

C

Snp1

S21

Snp2

S32

Cph V DC

S22 +

C

+

Cph S31

C S4

- DC

2a Принцип работы 2b Схема Конденсатор Cph поддерживается в заряженном состоянии на половину от напряжения конденсатора звена постоянного тока

3 Фазовые состояния преобразователя ANPC-5L

Ячейка 3

S4 Snp2

Snp1

Ячейка 2 S1

S32

S21

Ячейка 1

Уровень

S31 S22

выходного

фазное

сигнала

напряжение

Выходное Влияние на Cph Влияние на Vnp Вектор переi>0

i<0

i>0

i<0

ключения

1

0

1

0

1

0

1

0

–2

–V

0

0

0

0

V0

1

0

1

0

1

0

0

1

–1

–V/2

–

+

0

0

V1

1

0

1

0

0

1

1

0

–1

–V/2

+

–

–

+

V2

1

0

1

0

0

1

0

1

0

0

0

0

–

+

V3

0

1

0

1

1

0

1

0

0

0

0

0

–

+

V4

0

1

0

1

1

0

0

1

+1

V/2

–

+

–

+

V5

0

1

0

1

0

1

1

0

+1

V/2

+

–

0

0

V6

0

1

0

1

0

1

0

1

+2

V

0

0

0

0

V7

4 Две различные цепи тока, обеспечивающие одинаковое напряжение на выходе

+VDC

NP

+VDC

VDC/2

PH

-VDC

NP

V DC/2

PH

-VDC

4b Вектор переключения V5 из рис. 3 4a Вектор переключения V6 из рис. 3 Обратное направление тока в Cph позволяет поддерживать конденсатор в заряженном состоянии.

Привод ACS 2000 В конструкции привода ACS 2000 использованы два пятиуровневых преобразователя в «зеркальной» конфигурации (B2B). Схема привода ACS 2000 показана на рис. 5. Конструкция механической части

Бестрансформаторный привод ACS 2000 рис. 6 спроектирован с целью максимального увеличения времени безотказной работы с помощью модульной конструкции. Номиналы компонентов подобраны с учётом их расчётного срока службы, а также предусмотрен лёгкий

фронтальный доступ до всех критически важных компонентов. Конструкция фазовых модулей в форме выдвижных ящиков облегчает быструю и безопасную замену в случае неисправности. Ключевым элементом модульной концепции является фазовый модуль рис. 7. В состав модуля входят основные компоненты одной фазы преобразователя (как показано на рис. 2b), включая силовые полупроводники, драйверы и конденсатор фазы. Модуль также включает в себя интерфейсную плату для связи с более высоким уровнем управления и оборудование для измерения тока и напряжения. Пятиуровневый преобразователь

­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­43

6 Бестрансформаторный привод ACS 2000 мощностью 800 кВт, 6 кВ

5 Базовая конфигурация привода ACS 2000

Питающая сеть для вспомогательный устройств

Питающая сеть

ACS 2000 Шкаф управления Система управления

Вспомогательные системы

Шкаф силового оборудования M

IM

Входной реактор

Входной фильтр

Выпрямитель Звено Инвертор ANPC-5L постоянного ANPC-5L тока

7 Фазовый модуль ACS 2000

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

Фазовое напряжение на ARU (В)

Ток 4000

150

Напряжение 100

2000

50 0

0

-50

-2000

-100 -4000

-150

-6000 0,3

0,305

0,31

0,315

0,32

0,325

0,33

0,335

0,34

Ток на активном выпрямительном блоке (ARU) (А)

Ток и напряжение на диспетчерском пункте (РСС) источника питания 6000

Время (cек)

Бестрансформаторный привод ACS 2000 спроектирован с целью максимального увеличения времени безотказной работы с помощью модульной конструкции.

­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­44

AББ Ревю 1|11

Это позволяет осуществлять простое подключение модуля, поскольку необходимо лишь подсоединить питание и оптоволоконную линию связи. Токонесущие соединения выполнены в виде соединительных штепселей. Благодаря своей простоте модуль может быть заменён пользователем в течение нескольких минут.

сети. Поскольку оба привода (DUT и нагрузочный инвертор) относились к типу ACS 2000, было возможно одновременно наблюдать за двигательным и рекуперативным режимами работы привода. Также проводились длительные испытания в «зеркальной» конфигурации для подтверждения высокой надёжности приводов.

Испытания Привод ACS 2000 испытывался в «зеркальной» конфигурации. Были установлены два привода ACS 2000: испытываемый привод (DUT) и нагрузочный инвертор. Оба привода были подключены в общую трёхфазную сеть и подсоединены к соответствующим электродвигателям (объединенных общим валом). Один из практических результатов такого подключения состоял в том, что только потери в системе электропривода должны были покрываться за счёт питающей

Входные и выходные характеристики

Работа выпрямителя показана на рисунке рис. 8. Пятиуровневый преобразователь обеспечивает двигателю девять уровней линейного напряжения. Типичные формы сигналов тока и напряжения показаны на рисунке рис. 9. Новый пятиуровневый инвертор формирует выходной сигнал, довольно близкий синусоидальному и соответствующий требованиям для привода электродвигателей, спроектированных для прямого подключения к питающей сети без необ-

9 Осциллограммы напряжения Линейное напряжение преобразователя 15

4

10 Напряжение (кВ)

Напряжение (кВ)

Фазное напряжение преобразователя 6

2 0 -2 -4 -6

5 0 -5 -10

0

0,01

0,02

0,03

0,04

-15

0

0,01

Время (cек)

9a пятиуровневое фазное напряжение

ходимости снижения их параметров. Работа во время нарушений режимов электропитания Сочетание многоуровневой топологии ANPC-5L и динамических характеристик прямого управления крутящим моментом может использоваться для предотвращения отключения привода даже в случае нарушения режима электропитания в течение нескольких секунд. Работа также может продолжаться при отказе определённых вспомогательных систем питания в течение некоторого времени. Максимальная длительность нарушения режи-

0,03

0,04

9b девятиуровневое линейное напряжение

массы двигателя и нагрузки подаётся обратно через инвертор, чтобы компенсировать потери и поддержать напряжение в звене постоянного тока. Режим работы при отключённом энергоснабжении может поддерживаться, пока вращающаяся масса сохраняет энергию, достаточную для удовлетворения таких потребностей в электроэнергии. При восстановлении напряжения в питающей сети немедленно возобновляется ускорение двигателя до желаемой скорости. Полевые испытания на фактическом оборудовании заказчика отображены на рисунке рис. 10. Отключение питающего напряжения сети длилось одну секунду. На рисунке рис. 10a показано падение до нуля напряжения в сети и тока на входе. На рисунке рис. 10c показан тормозной момент электродвигателя для рекуперации энергии во время отключения энергии с целью поддержания напряжения в звене постоянного тока рис. 10b. При восстановлении напряжения в сети, крутящий момент быстро возвращается в двигательный режим.

Комбинация многоуровневой топологии ANPC-5L и динамических характеристик прямого управления моментом могут применяться для предотвращения отключения привода даже в случае перерыва в подаче силового напряжения от сети в течение нескольких секунд. ма электропитания, при которой не возникает аварии привода, зависит от нагрузки, механизма и рабочей точки в момент отключения энергии. При отключении энергоснабжения напряжение звена постоянного тока сохраняется на определённом уровне для поддержания намагниченности двигателя. С этой целью энергия от вращающейся

0,02 Время (cек)

Применение и успехи Привод ACS 2000 разработан для самых разных областей применения в различных отраслях промышленности в рамках рынка приводов общего назначения, как показано на рисунке рис. 11.

Новый пятиуровневый инвертор формирует выходной сигнал, полностью соответствующий требованиям для работы с электродвигателями, спроектированными для работы напрямую от сети без необходимости снижения их параметров.

Призы и награды

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

­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­45

10 Сохранение работоспособности при кратковременном нарушении режима электропитания: измерения во время отключения питания

8000

60

6000

40

4000

20

2000

Величина напряжения в сети

Ток на входе (А)

Характеристики работы выпрямителя во время отключения питания 80

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

Фредерик Киферндорф 0

0

1

2

3 Время (cек)

4

5

6

Леонардо Серпа

0

Ян-Хеннинг Фабиан Антонио Коччиа (ранее работал в АББ)

10a Питающая сеть

Корпоративный исследовательский центр концерна АББ в г. Баден-Детвиль, Швейцария

Напряжение звена постоянного тока (В)

Характеристики работы выпрямителя во время отключения питания 10500 10000

Выпрямитель

frederick.kieferndorf@ch.abb.com

Инвертор

leonardo.serpa@ch.abb.com jan-henning.fabian@ch.abb.com

9500 9000

Михаэль Баслер

8500

Отдел силовой электроники и приводов среднего напряжения, Нью-Берлин, штат Вайоминг, США

8000

michael.basler@us.abb.com

7500

Геральд Шойер

7000 0

1

2

3 Время (cек)

4

5

6

Отдел силовой электроники и приводов среднего напряжения, Турги, Швейцария

10b Напряжение в звене постоянного тока

gerald-a.scheuer@ch.abb.com

Характеристики работы выпрямителя во время отключения питания

Скорость/крутящий момент, %

100

Скорость Крутящий момент

50

0

-50 0

1

2

3

4

5

6

Время (cек)

10c Характеристики на выходе

11 Целевые отрасли и применения привода ACS 2000

­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­46

Отрасли

Применение

Цементная, горнодобывающая

Конвейеры, дробилки, мельницы, вентиляторы и насосы

Химическая, нефтегазовая

Насосы, компрессоры, экструдеры, миксеры и воздуходувки

Металлургия

Вентиляторы и насосы

Целлюлозно-бумажная

Вентиляторы, насосы, рафинеры, вакуумные насосы и измельчители

Энергетика

Вентиляторы, насосы, конвейеры и угольные мельницы

Водоснабжение

Насосы

Другие применения

Испытательные стенды и аэродинамические трубы

AББ Ревю 1|11

Дополнительная литература Техническая информация, изложенная в данной статье, основана на докладе, представленном на симпозиуме в городе Пиза в июне 2010 года. Из-за нехватки журнальной площади данная статья подверглась значительному сокращению в сравнении с оригинальным документом; читателям, заинтересованным в более подробной информации, рекомендуется ознакомиться с оригиналом [1]. Авторы хотели бы выразить благодарность своим настоящим и бывшим коллегам за вклад в разработку описанной технологии: П. Барбосе (P. Barbosa), Н. Челановичу (N. Celanovic), М. Винкельнкемперу ( M. Winkelnkemper), Ф. Вильднеру (F. Wildner), К. Гедерли (C. Haederli), П. Штаймеру (P. Steimer), Й. Стайнке (J. Steinke) и многим другим.

Литература [1] Kieferndorf, F., Basler, M., Serpa, L. A., Fabian, J.-H., Coccia A., Scheuer, G.A. (июнь 2010 г.) Использование технология ANPC-5L в регулируемых приводах среднего напряжения. Доклад был представлен на Международном симпозиуме по силовой электронике, электроприводам, автоматизации и движущимся механизмам в г. Пиза, Италия. Доклады записаны на CD-ROM. Заглавный рисунок Приводы в изобилии встречаются на фабриках и заводах; они производятся для всех классов мощности, начиная от маломощных вентиляторов и заканчивая мощными дробилками. На заглавном рисунке изображена теплоэлектростанция в городе Торревальдалига, Италия.

Время собирать урожай Извлечение энергии из окружающей среды для создания полностью автономных устройств в промышленном производстве ФИЛИПП НЕННИНГЕР, МАРКО УЛЬРИХ – Для снижения времени простоя и повышения надёжности, необходимо обладать большими знаниями о работоспособности производственного оборудования. Большинство такой информации обеспечивают датчики. Установка дополнительных датчиков означает дополнительную проводку и, следовательно, увеличение монтажных расходов. Устранение такой проводки не только снизит издержки, но также упростит процесс монтажа в целом. Поскольку энергопотребление многих промышленных датчиков весьма умеренное, использование аккумулятора выглядит вполне

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

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

Время собирать урожай

­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­47

Беспроводные технологии Беспроводные решения, безусловно, не являются новым словом в перерабатывающей промышленности; фактически, они впервые получили широкую известность уже в 1960-х. Тем не менее, эти решения применялись главным образом в специализированных продуктах для определённых рынков, таких как AquaMaster производства АББ, электронный счётчик коммерческого учёта расхода воды и счётчики суммарного объёма перекачиваемой жидкости в нефтегазовой промышленности. Система Totalflow, разра­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­48

AББ Ревю 1|11

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

Срок службы батареи электропитания (а)

Б

еспроводные технологии в течение примерно последних 15 лет оказали существенное влияние на отрасль, а развитие технологий, происходившее в то же самое время, означает постепенное принятие таких технологий на вооружение перерабатывающей промышленностью, в особенности для мониторинга производственного оборудования. Срок службы оборудования автоматизированных предприятий обычно составляет приблизительно 20 лет, и чтобы достичь максимального уровня возврата инвестиций за этот период, КПД эксплуатации предприятия должен быть как можно выше. Так как предприятие может сохранять свою работоспособность только в том случае, если всё необходимое оборудование работает как часы, высокая надёжность компонентов является суровой необходимостью. Такая надёжность может быть достигнута посредством мониторинга оборудования, дающего шанс на выявление потенциальных дефектов в оборудовании до их возникновения и своевременное устранение первопричины. В этих целях может потребоваться дополнительная информация с датчика. Эта информация может поступить либо с уже установленных датчиков, способных обеспечить необходимые измерения, таких как датчики перепада давления АББ, используемые для обнаружения закупорки импульсной линии (PIL), либо с дополнительных датчиков, размещённых в других местах производственного процесса. Если требуются дополнительные датчики, затраты на монтаж должны оставаться на минимальном уровне, чтобы максимально увеличить выгоду от их эксплуатации. Но поскольку проводка и монтаж могут составлять до 90 процентов от общей стоимости прибора, есть смысл изучить возможность применения беспроводных устройств.

Срок хранения батареи электропитания

101 Итого В режиме ожидания В активном режиме

10 -1

100

101

10 2

Интервал(-ы) измерения

ботанная в концерне АББ, удалённая система измерения и автоматизации, является одним из таких примеров. Как и в случае с технологией создания полевой шины, любой беспроводной протокол, который стремится к достижению критической массы, требует установления общего стандарта, который был бы поддержан всеми изготовителями такого устройства. Один такой стандарт действительно существует: он назван WirelessHART. WirelessHART – это первый международный беспроводной стандарт, который был разработан специально для соответствия требованиям со стороны сетей полевых устройств. Надёжность сети – это один из ключевых пунктов в автоматизации производственного процесса. Аспект беспроводных сетей, который влияет на надёжность – это участок ячеистой сети. Ячеистые сети обеспечивают пространственно разнесённые резервные каналы между двумя точками сети с помощью передачи сообщений по различным маршрутам, что, в свою очередь, повышает отказоустойчивость связи и позволяет хорошо спроектированной сети развить устойчивость к отказам, как линий связи, так и устройств маршрутизации. Кроме того, пространственная избыточность ячеистой сети гарантирует надёжную связь, даже в промышленном, научном и медицинском диапазоне (ISM). Безуслов-

но, направление сообщений (как последствие ячеистой организации сети), наряду с требованиями постоянного поддержания безопасности, оказывают влияние на стоимость энергии, что должно восполняться за счёт достижения оптимизации низковольтного оборудования. Низковольтная оптимизация В плане оптимизации низковольтного оборудования существуют некоторые различия между проводными и беспроводными устройствами, и мы возьмём «проводной» промышленный температурный измерительный преобразователь АББ, TTH300, чтобы проиллюстрировать этот момент. Устройство TTH300 питается от токовой петли 4–20 мА и замеряет, например, сопротивление четырёхпроводного датчика Pt100 (и, следовательно, температуру на конце датчика) в течение очень коротких интервалов, которые, в зависимости от типа и конфигурации датчика, могут составлять 10 мс. Поскольку

Поскольку проводка и монтаж могут составлять до 90 процентов от общей стоимости прибора, есть смысл изучить возможность применения беспроводных устройств. петля тока 4–20 мА беспрерывно даёт до 40 мВт энергии, эффективность устройства ограничена энергией, которую оно в состоянии извлечь, в то время как коли-

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

3 Полностью автономный температурный измерительный преобразователь

Солнечная радиация

Вибрация

Потоки жидкости Тепло

чество энергии, потребляемое самим устройством, значения не имеет. С другой стороны, беспроводной датчик не должен измерять температуру несколько раз в секунду, поскольку большинство промышленных беспроводных сетей, применяемых в обрабатывающей промышленности, практически не поддерживают такие короткие интервалы обновления данных. В интервалах между замерами измерительный преобразователь должен выполнять лишь свою сетевую функцию, а именно, направление сообщений на другие узлы. В остальное время электронная часть может оставаться в так называемом энергосберегающем режиме, при котором не происходит ни расчётов, ни измерений, благодаря чему потребляется лишь небольшая доля энергии. В энергосберегающем режиме можно приблизительно рассчитать потребление электроэнергии устройством, взяв энергопотребление в активном рабочем и в энергосберегающем режиме, а также количество рабочих циклов устройства. Для описанного выше беспроводного устройства рабочий цикл примерно коррелирует со временем, необходимым для обновления информации датчика. Если не принимать во внимание саморазрядку батареи питания, то мы получим примерный срок её службы. Такой расчёт для идеального устройства показан на рис. 1. Извлечение энергии Замена батарей питания на регулярной основе не всегда возможна, поскольку такая замена, в зависимости от конфигурации всего устройства, может свести на нет всю экономию от применения беспроводных устройств. Вместо этого, в качестве возможного решения по созда-

нию подлинно автономного устройства мы рассматриваем извлечение энергии из окружающей среды (EH). Процесс EH преобразует энергию, имеющуюся в процессах рис. 2, в полезную электроэнергию, которая, в свою очередь, используется для питания беспроводных устройств. Типичными источниками такой энергии являются процессы холодной и горячей обработки, солнечная радиация, вибрация и кинетическая энергия движущихся сред или механизмов. Наиболее многообещающими из числа указанных источников являются солнечная энергия, термоэлектрические и кинетические преобразователи. Солнечная радиация

Хотя технологии преобразования солнечной энергии в электрическую являются на сегодняшний день вполне надёжными и зарекомендовавшими себя с наилучшей стороны, их применение в закрытом пространстве жёстко ограничено. Если интенсивность излучения на открытом воздухе может достигать примерно 1000 Вт/м2, обычное значение в закрытом помещении едва достигает 1 Вт/м2 [1]. Другим словами, объём извлекаемой энергии ограничен.

Извлечение энергии конвертирует энергию, имеющуюся в промышленном производстве, в полезную электроэнергию.

Термическое электричество

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

Примечание 1 Открытое Томасом Йоханном Зеебеком в 1821 году, явление Зеебека – это явление, при котором разность температур между двумя разнородными проводниками или полупроводниками порождает разность потенциалов между этими двумя проводниками или полупроводниками.

Время собирать урожай

­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­49

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

5 Числовые термальные моделирования

Источник: Micropelt GmbH

Распределение температуры процесса 80°C (выделено красным) Температура окружающей среды 25°C (выделено синим)

мышленности. Следовательно, наличествуют большие объёмы тепла и энергии, которые могут обеспечиваться TEG промышленного применения и быть достаточными для питания различных узлов беспроводных датчиков при различных сценариях.

зонанса устройства извлечения энергии совпадает с частотой внешнего возбуждения. Использование приводов с переменными частотами в производственном процессе де-факто ограничивает применение систем извлечения энергии из вибраций.

Кинетические преобразователи

Компоненты и архитектура систем

Прямое преобразование механического движения, например, вибраций, в электроэнергию может достигаться с помощью различных преобразователей: – В электромагнитных преобразователях применяется подвесная катушка, двигающаяся в статическом магнитном поле небольшого постоянного магнита. Такая схема преобразует энергию по закону Фарадея.

– Пьезоэлектрические преобразователи, основанные на пьезоэлектрических материалах. При использовании чувствительной массы, закреплённой на растяжке, кинетическое движение вызывает смещение этой массы, что передаёт механическое усилие на пьезоэлектрический материал.

– Электростатические преобразователи, основанные на конденсаторе переменной ёмкости. Когда прикладывается механическое усилие, действие происходит в направлении, обратном притяжению противоположно заряженных пластин конденсатора. В результате, происходящие в конденсаторе изменения образуют электрический ток в закрытой цепи.

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

В двух словах, все принципы кинетического преобразования основаны на механическом резонаторе, и такие системы в состоянии образовывать только определённый объём энергии, если частота ре­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­50

AББ Ревю 1|11

Концерн АББ разработал полностью автономный температурный измерительный преобразователь с использованием полностью интегрированной системы ЕН. ников энергии; простой на предприятии может привести к образованию различий в температурных процессах, что может повлиять на энергию, вырабатываемую термоэлектрическими генераторами; и, наконец, приводы переменной частоты могут привести к различному выходу по току устройств извлечения энергии. На-

против, временами система извлечения энергии может поставлять больше питания, чем необходимо в действительности. Характеристики энергопотребления типичного беспроводного датчика также непостоянны: в зависимости от рабочего цикла и интервалов обновления, могут иметь место пиковые нагрузки, которые необходимо компенсировать, поскольку системы ЕН не в состоянии обеспечить питание в таких случаях краткосрочного повышенного энергопотребления. По существу, каждой системе EH необходим буферный элемент для поддержания энергоснабжения в тех случаях, когда устройство извлечения энергии не в состоянии обеспечить блок датчика достаточным объёмом питания. В число типичных буферных элементов входят: – Суперконденсаторы или специальные конденсаторы с различными чередующимися слоями. Такие конденсаторы выдерживают высокие пиковые нагрузки по току.

– Перезаряжаемые аккумуляторы.

– Обычные гальванические элементы. Они не в состоянии накапливать избыточный объём энергии, поступающей из системы EH, но могут использоваться для обеспечения периодического питания, подачу которого не может обеспечить система.

– Обычные промышленные гальванические элементы. Такие элементы имеют весьма продолжительный срок хранения с небольшим уровнем саморазрядки, и они представляют собой отличную альтернативу в качестве надёжного буферного элемента. Недостатком обычных литий-ионных аккумуляторов является ограниченное ко-

личество циклов разрядки/зарядки. Устройствам извлечения энергии и буферным элементам для подлинно автономной подачи электроэнергии необходима соответствующая система управления энергией (РМ). PM выполняет две основные функции: – регулирует характеристики напряжения и тока на выходе системы ЕН в соответствии с требованиями на входе устройства-потребителя энергии.

– плавно переключается между буферными накопительными элементами и различными источниками ЕН. Автономный температурный преобразователь АББ В ходе исследований, осуществлённых концерном АББ, был разработан полностью автономный температурный преобразователь рис. 3, использующий полностью интегрированную систему ЕН. Термоэлектрические генераторы были интегрированы в устройство таким образом, чтобы факторы производительности и стабильности, а также коэффициенты формы температурного преобразователя

Полностью автономные устройства помогут инженерам лучше контролировать производственные процессы

ние поддержания стабильности и надёжности измерительного преобразователя. В большинстве случаев температура производственного процесса выше температуры окружающей среды и, следовательно, «горячая» сторона термоэлектрического генератора должна быть подсоединена к производственной линии с наиболее оптимальной теплопроводностью. Были проведены многочисленные числовые моделирования для увеличения потока тепла через TEG рис. 5. Другая («холодная») сторона генератора должна охлаждаться, и, следовательно, соединяться с окружающей средой с помощью теплопоглотителя, который должен быть расположен на расстоянии, достаточном, чтобы предусмотреть толстый изоляционный слой, покрывающий технологический трубопровод в ряде применений. При минимальном перепаде температуры между производственным процессом и окружающей средой в размере 30 К, система может вырабатывать достаточный объём энергии для питания электронной аппаратуры как при измерениях, так и при беспроводной связи. Если перепад температур превышает 30 К, производимая энергия превышает потребности, и она может, например, использоваться для более быстрого обновления данных.

шают основную проблему беспроводных блоков датчиков: отпадает необходимость замены гальванических элементов, что, в свою очередь, помогает снизить общие расходы на обслуживание оборудования. Несмотря на то, что EH возможно не для всех датчиков и не при всех обстоятельствах, оно является жизнестойким источником энергии для широкого спектра устройств. Полностью автономные устройства могут помочь лучше понимать и контролировать производственные процессы, а значит, повышать их прибыльность.

Взгляд в будущее Температурные измерительные преобразователи, питающиеся от систем EH, ре-

Заглавный рисунок Получение энергии для производства электричества подобно сбору урожая зерна для производства муки.

Полностью автономные устройства помогут лучше понимать и контролировать производственные процессы, а значит, повышать их прибыльность. не изменялись в течение срока его службы при значительном повышении функциональности. В устройстве было применено интеллектуальное решение устройства накопления энергии на случай недостаточности температуры производственного процесса для выработки необходимого объёма потребляемой энергии. Габариты отдельных температурных преобразователей не позволяли интегрировать обычные термоэлектрические генераторы, как правило, имеющие макроскопические размеры, от 10 до 20 см2. Вместо них использовались новаторские термоэлектрические мини-генераторы, выпускаемые с применением технологий на основе печатных элементов [4] рис. 4. Основной проблемой при интегрировании этих двух устройств было обеспече-

Филипп Неннингер Марко Ульрих Корпоративный исследовательский центр АББ Ладенбург, Германия philipp.nenninger@de.abb.com marco.ulrich@de.abb.com

Литература [1] Muller, M., Wienold, J., Reindl, L. M. (2009). Характеристика фотоэлектрических устройств, установленных в закрытых помещениях и фотоэлектрического освещения. Протокол Конференции специалистов по фотоэлектричеству IEEE: 000738-000743.

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

Nature, 413 (6856), 577–578.

[3] Nenninger, P. , Ulrich, M., Kaul, H. (2010). К вопросу питания беспроводных устройств в автоматизации производства. На заседаниях Симпозиума по интегрированным средствам обработки и передачи данных IFAC (218–224).

[4] Nurnus, J. (2009). Термоэлектрические тонкоплёночные генераторы энергии – автономный источник питания для интеллектуальных систем. Заседания по интеллектуальным датчикам, активаторам и микроэлектромеханическим элементам IV: Вып. 7362-05. Дрезден..

Время собирать урожай

­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­51

Искробезопасность Синхронные и индукционные двигатели и генераторы с гарантированной искробезопасной эксплуатацией

ГЁРАН ПАУЛССОН, ЙОХАН КАРЛССОН, ЮССИ РАУТЭЭ – Электрические двигатели и генераторы – основа нашей промышленности, самый необходимый элемент для приводных компрессоров и насосов, а также для выработки электроэнергии. Поскольку, это – электрические устройства, они представляют существенный риск при эксплуатации во взрывоопасной среде, например, в нефтегазовой промышленности. Искра, горячая поверхность или высокое электрическое поле, например, электрическая корона (жужжащий звук, который иногда можно услышать под высоковольтной линией) – всё это является потенциальной угрозой безопасности в среде, насыщенной взрывоопасными газами. Крупные синхронные и индукционные двигатели, разработанные концерном АББ, сертифицированы в соответствии с последними требованиями к безопасности, международным стандартам МЭК, гарантирующим искробезопасную эксплуатацию.

­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­52

AББ Ревю 1|11

Конструкция и сертификация высоковольтных синхронных и индукционных двигателей АББ сокращает время на запуск и снижает требования к обслуживанию.

В

течение многих лет концерн АББ предпринимал шаги в области проектирования и производства, направленные на превышение официальных стандартов качества и безопасности, являющихся первостепенными для заказчиков. В 2010 году все крупные синхронные двигатели и генераторы концерна были сертифицированы в соответствии с самыми строгими международными стандартами (МЭК 6007915:2010 и МЭК 60079-7:2006); сегодня вся линейка низко- и высоковольтных двигателей и генераторов концерна АББ сертифицирована для эксплуатации на опасных участках рис. 1. Заказчики, применяющие не протестированное или не сертифицированное оборудование, обычно оснащают двигатель вытеснительной системой подачи топлива, что приводит к большим расходам на воздушные компрессоры большой ёмкости, монтаж трубопровода и блок управления вентиляцией. Проводя испытания и сертификацию своих двигателей, АББ помогает своим покупателям рационализировать процессы оценки производственных рисков. Преимущества подхода АББ к этой про-

блеме включают снижение капитальных затрат, уменьшение эксплуатационных расходов и ускоренный запуск двигателя. Кроме того, благодаря отсутствию дополнительно требуемых компонентов повышается надёжность. Сертификация также может существенно снизить издержки. Например, на нефтеперерабатывающем заводе вентилирование двигателя в течение всего лишь получаса вызовет существенные расходы из-за простоя и невыпущенной продукции. Разработка стандартов МЭК 60079 началась после нескольких серьёзных происшествий – взрывов из-за искрения двигателей, работающих во взрывоопасных условиях нефтяных и газовых платформ в Северном море, случившихся в 1980-е и 1990-е годы рис. 2. Совместно с Национальным физико-техническим институтом Германии (PhysikalischTechnischen Bundesanstalt, PTB) и компа-

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

Несмотря на значительный прогресс в автоматизации производства, изготовление электродвигателя весом 80 тонн по-прежнему требует огромного ручного труда. ность на протяжении свыше ста лет и занимающейся преимущественно вопросами международных правил и стандартов рис. 3. В течение долгих лет, стандарты и Примечание 1 IEEE PCIC – Институт инженеров по электротехнике и электронике и Комитет по нефтяной и химической промышленности

Искробезопасность

­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­53

1 Принципы взрывозащиты Окружающая среда в химической, нефтяной и газовой отраслях подразделяется на опасную и безопасную. В опасной окружающей среде содержатся потенциально взрывоопасные составляющие, такие как газы, пары, дымка или пыль. Такие среды подразделяются по степени риска на основе наличия и концентрации взрывоопасных веществ: – Зона 0 – Постоянная взрывоопасность.

– Зона 1 – Взрывоопасность среды в период порядка 1000 часов в год.

– Зона 2 – Взрывоопасность среды в период порядка 10 часов в год. Для машины, размещённой в опасной среде, необходимы различные типы защиты для предотвращения возгорания любого возможного взрывоопасного вещества. Международные стандарты определяют типы защиты, обеспечивающие промышленную деятельность в двух зонах, 1 и 2. Целью такой защиты является предотвращение потенциальных источников взрывной опасности, в число которых входят, как правило, горячие поверхности и искры.

Особое внимание при размещении катушек внутри статора должно быть уделено обеспечению достаточного расстояния во избежание коронных разрядов. испытания, сформулированные этой организацией, стали для отрасли, производящей электродвигатели, чем-то вроде лицензии на изготовление и продажу безопасных и эффективных в эксплуатации электродвигателей. АББ и стандарты Концерн АББ выпускает два типа электрических двигателей высокого напряжения - синхронный и индукционный - на заводах в Швеции, Финляндии, Италии, Южной Африке, Китае и Индии. Синхронный электродвигатель – это двигатель переменного тока, который отличает ско­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­54

AББ Ревю 1|11

2 Типы защиты «n» и «е» Стандарт МЭК 60079–15:2010 определяет требования, предъявляемые к строительству, испытаниям и нанесению отметок для электрооборудования Группы II с типом защиты «n» (искробезопасная), предназначенного для применения в среде с наличием взрывоопасных газов в зоне 2. Данный стандарт применяется к электрооборудованию, номинальное напряжение которого не превышает 15 кВ среднеквадратичного значения переменного или постоянного тока. Стандарт МЭК 60079–7:2006 определяет требования, предъявляемые к строительству, испытаниям и нанесению отметок для электрооборудования Группы II с типом защиты «е» (усиленная безопасность), предназначенного для применения в среде с наличием взрывоопасных газов в зонах 1 и 2. Данный стандарт применяется к электрооборудованию, номинальное напряжение которого не превышает 11 кВ среднеквадратичного значения переменного или постоянного тока.

4 Поперечное сечение изолированной высоковольтной катушки

5 Обмотанный и пропитанный статор, готовый к дальнейшей сборке

3 Стандарты МЭК 15 сентября 1904 года делегаты Международного Электрического Конгресса в Сент-Луисе, штат Миссури, США, приняли доклад, в который было включено следующее предложение: «Должны быть предприняты шаги с тем, чтобы обеспечить сотрудничество технических кругов всего мира посредством создания представительной комиссии для рассмотрения вопроса стандартизации номенклатуры и номинальных характеристик электрических устройств и машин». В соответствии с этим решением в июне 1906 в Лондоне и была основана МЭК. С тех пор МЭК занимается разработкой стандартов, правил безопасности, испытаниями и спецификациями комплектующих для электротехнических отраслей промышленности всего мира. В задачи группы входит всё – от конденсаторов, резисторов, полупроводников, приборов радиосвязи и электрического оборудования до электродвигателей. В 1930 году МЭК способствовала установлению, в том числе, герца (Гц) в качестве единицы частоты, гаусса (G) в качестве единицы плотности магнитного потока и гильберта (Gi) в качестве единицы магнитодвижущей силы. В 2005 МЭК опубликовала многоязычный словарь электротехнических терминов на 13 языках.

рость вращения, пропорциональная частоте источника переменного тока; т.е., двигатель работает синхронно. Намагничивание ротора обычно производится внешним устройством. Эти двигатели могут проектироваться для постоянной работы в среде 2 зоны опасности, и классифицируются как «Ex nA, искробезопасные машины».

Индукционный или асинхронный двигатель – это двигатель переменного тока, в котором ротор намагничивается посредством электромагнитной индукции, но скорость его вращения немного ниже синхронной скорости; т.е. двигатель работает асинхронно. Эти двигатели могут проектироваться для постоянной работы в среде 1 зоны опасности, и они также известны как «Ex e, машины с повышенной безопасностью».

28 января 2010 вступили в силу новые стандарты МЭК для оборудования, помещённого во взрывоопасную среду. Основываясь на предыдущих разработках и испытаниях, большая часть изделий АББ из числа синхронных и индукционных двигателей высокого напряжения и генераторов была приведена в соответствие с этими стандартами. Остальное оборудование было приведено в соответствие в течение 2010 г. Несмотря на значительный прогресс в автоматизации производства, изготовление электродвигателя весом 80 тонн попрежнему требует огромного ручного труда. Например, на заводе АББ в городе Вестерос (Vasteras) в Швеции, приблизительно 200 двигателей и генераторов в

6 Испытания Испытания на соответствие стандарту МЭК 60079-15:2010 в части искробезопасности двигателей и генераторов требуют трёхминутного теста статора во взрывоопасной газообразной окружающей среде. Тест является обязательным для двигателей с номинальным напряжением свыше 1 кВ, эксплуатируемых в среде с присутствием, например, водорода, этилена или ацетилена, и свыше 6,6 кВ для двигателей, эксплуатируемых в среде со следами пропана, дизельного топлива, ацетона, этана, аммиака и доброй дюжины других взрывоопасных газов и паров. Во время теста обмотка статора покрывается слоем пластика, который затем наполняется взрывоопасным газом, таким как смесь водорода с воздухом, как показано на рисунке справа. Затем статор подвергается изменению и увеличению напряжения (синусоидального) до определённого испытательного уровня. Если произойдёт взрыв газа, вызванный слабой искрой в обмотке статора, то пластик сломается и даст выход волне давления. Определённое для

год производятся на заказ в точном соответствии с техническими заданиями покупателей. На этом предприятии рабочие с помощью специального станка кропотливо сгибают полосы изолированной миканитом меди размером с указательный палец, чтобы придать необходимую точную форму рис. 4. На следующем этапе готовые катушки изолируются дополнительным слоем миканита до помещения в статор. Физика электрических двигателей является относительно несложной и хорошо понятна многим; тонкости проявляются в том, что касается изоляции медных катушек, которые вворачиваются в статор и связываются друг с другом стекловолоконным тросом. Затем весь статор пропитывается эпоксидной смолой; этот процесс называется пропиткой под вакуумным давлением (VPI). После пропитки статор сушится в печи, чтобы приобрести свои окончательные электрические и механические свойства рис. 5. Такая система изоляции Micadur®Compact Industry (MCI) гарантирует герметичную и однородную изоляцию, приводящую к низким диэлектрическим потерям, высокой электрической и механической прочности и отличной теплопередаче в самом статоре. Тогда как такая изоляция является опробованной и зарекомендовавшей себя с наилучшей стороны, особое внимание при размещении катушек внутри статора должно уделяться обеспечению достаточного расстояния во избежание коронных разрядов. Если катушки расположены чрезмерно

испытаний напряжение в полтора раза превосходит номинальное. Чтобы результаты испытаний были признаны успешными, не должно произойти возгорания взрывоопасной газовой смеси. В соответствии с испытаниями, проведёнными Национальным физико-техническим институтом Германии (Physikalisch-Technischen Bundesanstalt, PTB) в 2004 и 2009 гг., статоры производства АББ искробезопасны до 13,8 кВ включительно для водорода (представляющего группу газов IIC) и 15 кВ для этилена и пропана (представляющих группы газов IIB и IIA). Для индукционного двигателя с ротором типа «беличья клетка», ротор также испытывается во взрывоопасной газообразной среде на возможное возгорание от стержней ротора. Такой тест на возгорание ротора не представляется необходимым для синхронного ротора из-за различий в конструкции. В этом же стандарте, МЭК 60079, определены соответствующие испытания индукционных двигателей с улучшенной защитой от возгорания.

близко друг к другу, существует риск возникновения электрической короны. Наличие достаточного объёма воздуха между катушками и оптимизация их расположения позволяет установке работать с максимальной эффективностью. Использование материалов, подавляющих электрическую корону, также представляется весьма существенным. Дизайн и сертификация крупных синхронных и индукционных двигателей АББ

28 января 2010 вступили в силу новые стандарты МЭК. Основываясь на предыдущих разработках и испытаниях, большая часть изделий АББ из числа синхронных и индукционных двигателей высокого напряжения и генераторов была приведена в соответствие с этими стандартами.

высокого напряжения сокращают время запуска и снижают требования к обслуживанию. В то время как меньший период окупаемости и уменьшенные затраты на обслуживание, безусловно, выгодны, более существенным является то, что безопасность эксплуатации сертифицированных двигателей АББ была подтверждена на практике, поскольку испытания являются единственным путём проверить безопасность работы оборудования де-факто рис. 6.

Гёран Паулссон Йохан Карлссон АББ, Отдел дискретной автоматизации и движения, механизмы, Вестерос, Швеция goran.paulsson@se.abb.com johan.e.karlsson@se.abb.com Юсси Раутээ АББ, Отдел дискретной автоматизации и движения, Ноттинг Хилл, Австралия jussi.rautee@au.abb.com

Литература [1] Rautee, J., Lienesch, F., Liew, T. (2008). Усовершенствование искробезопасных двигателей повышенной безопасности. Европейская конференция нефтяной и газовой промышленности – применения электрооборудования и контрольно-измерительной аппаратуры, Веймар, Германия. Заглавный рисунок Нефтяные и газовые платформы предъявляют особые требования к предотвращению искрения. Эксплуатируемые на них двигатели подвергаются самой строгой сертификации.

Искробезопасность

­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­55

Движение вперёд Синхронные двигатели с регулируемыми приводами, повышают эффективность производственных процессов ХАЙНЦ ЛЕНДЕНМАНН, РЕЗА Р. МОХАДДАМ, АРИ ТАММИ,

время двигателей. Использование и стабильные инвестиции

ЛАРС-ЭРИК ТАНД – Электродвигатели потребляют

также требуют повышенной надёжности и более длительного

приблизительно 60–65 процентов от всего электричества,

срока службы двигателя. Обтекаемая конструкция ротора

используемого в промышленности. Более эффективное

синхронных реактивных двигателей концерна АББ устраняет

использование энергии посредством повышения

потери в клетке ротора, таким образом увеличивая

эффективности работы двигателя является ключевым моментом

эффективность и компактность двигателя. Возможность

в оптимизации двигателей. Основная экономия электроэнергии

достижения стандартного уровня мощности и крутящего

достигается с помощью приводов с регулируемой скоростью

момента с помощью простого повышения температуры

вращения, и на сегодняшний день эта технология используется

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

уже в 30–40 процентах от всех установленных за последнее

подшипников или интервалов смазки двигателя.

­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­56

AББ Ревю 1|11

Возможность работы на высоких скоростях помогает устранить элементы механической трансмиссии, такие как, например, редукторы.

Э

лектродвигатели широко применяются в промышленности. Синхронные реактивные двигатели АББ меньше по габаритам, что позволяет машиностроителям проектировать более компактное, лёгкое и эффективное оборудование. Кроме того, возможность работы на высоких скоростях помогает устранить элементы механической трансмиссии, такие как, редукторы. Всё это, в конечном счете, позволяет осуществить интеграцию двигателя и погрузочного оборудования, всё больше и больше востребованную на сегодняшний день. Чтобы удовлетворить спрос на более эффективный и компактный двигатель с повышенным сроком службы и сниженными требованиями к обслуживанию с помощью нового типа двигателя, который также будет отлично подходить к приводу с регулируемой скоростью вращения, (VSD), концерн АББ радикально пересмотрел все технологические варианты. Запуск двигателя VSD сильно отличается по сравнению с прямым пуском от сети. Это и другие изменения в

граничных условиях выдвинули на первый план потенциальные возможности упростить дизайн двигателя и повысить его эффективность. Один хорошо известный подход состоит в использовании синхронных двигателей (СМ). СМ с четырёхполюсным ротором, работающим на частоте 50 Гц, вращается синхронно с источником тока со скоростью ровно 1500 оборотов в минуту. Соответствующий индукционный двигатель (IM), тем не менее, испытывает потери за счёт скольжения, и вращается на скорости только 1475 оборотов в минуту при взятом в качестве примера напряжении 30 кВ. В современных IM с короткозамкнутой клеткой ротора, потери, связанные с ротором, составляют 20–35 процентов от всех потерь двигателя. Синхронное вращение устраняет большинство таких потерь. Устранение х вызванных скольжением потерь ведёт к повышению эффективности примерно от 0,6 процента (двигатель на 220 кВт) до 8 процентов (для 3 кВт), а также к повышению мощности двигателя и плотности крутящего момента на

20–40 процентов для такого же класса теплостойкости изоляции. Синхронные двигатели поставляются в различном исполнении: двухобмоточный с бесщёточными возбудителями; двигатель с постоянным магнитом (РМ); двигатель, основанный на принципе магнитного сопротивления (часто называемый синхронным реактивным двигателем или Syn-RM). У ротора SynRM нет ни проводящей короткозамкнутой клетки, как и в случае с IM, ни постоянных магнитов, ни обмотки возбуждения поля. Вместо этого используется принцип магнитного сопротивления. Синхронный реактивный двигатель Магнитное сопротивление является магнитным эквивалентом сопротивления в электрических цепях. Ротор состоит из одного направления наименее возможного магнитного сопротивления (d) и перпендикулярного направления (q) с высоким магнитным сопротивлением или хорошей магнитной «изоляцией» рис. 1. Крутящий момент создаётся, поскольку ротор пытается выровнять магДвижение вперёд

­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­57

T q

ω

d

Ψ

d

T

2 Срок реализации инноваций в двигателях низкого напряжения Вес стандартного четырёхполюсного индукционного двигателя на 4 кВт (кг)

1 Синхронный реактивный двигатель и принцип крутящего момента

140

Введение стандарта МЭК

120 100

Внедрение SynRM

80 60

5 hp = 3.7 kW

Размер

Индукционный двигатель

100

3.3kW η=83%

4.3kW η=90%

+3045%

160

22kW

29kW

+32%

90kW

110kW +22%

280

40

SynRM Выход

Сравнение измеренных номинальных значений в рамках технологии

20 0 1900

1950 Год

2000

Индукционный двигатель Pp = Пары полюсов двигателя

нитное проводящее направление по полю статора. Величина полученного крутящего момента напрямую связана с соотношением между частями полюсного деления, т. е. коэффициентом индуктивности между двумя направлениями намагничивания ротора. Изобретение концепции синхронного реактивного двигателя датируется 1923 годом. Тем не менее, промышленный выпуск этого типа двигателя так и не был начат преимущественно из-за нехватки мощности для прямого запуска. Сегодня, с помощью контроллеров с регулируемой скоростью, это препятствие устранено рис. 2. В 1982 году были открыты постоянные магниты на основе неодима, железа и бора (NdFeB). В результате для серводвигателей была принята новая технология с применением постоянного магнита (РМ), которая на сегодняшний день появляется во многих промышленных применениях, таких как безредукторные низкоскоростные моментные двигатели [1]. И вновь слишком мало внимания было уделено незатейливому двигателю типа SynRM. Кроме того, не все ранее опубликованные работы по SynRM преуспели в том, чтобы продемонстрировать превосходящую силу крутящего момента или более высокую эффективность в сравнении с IM, как ожидалось на основе вычислений: факт, упомянутый экспертами и учёными для объяснения того, почему двигатель SynRM используется сегодня столь редко. По-видимому, эти прежние результаты были следствием недостаточной оптимизации работы преобразователя. Действительно, в некоторых публикациях были продемонстрированы весьма многообещающие результаты, и в них более подробно изучались электромагнитные аспекты проекта [2], [3]. Важно отметить отличие SynRM от дви­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­58

AББ Ревю 1|11

Синхронный реактивный двигатель АББ

гателя с переключаемым сопротивлением, или шаговым двигателем с абсолютно другим статором, концепцией обмотки и несинусоидальными волнами тока; двигатель часто считался неподходящим для промышленного использования из-за высокого уровня шума. Упоминавшимся недостатком SynRM является высокая потребность в токе при таком же крутящем моменте, как и у двигателя PM, поскольку ротор должен намагничиваться через статор. Тем не менее, коэффициент мощности, как видно из сети, определяется преобразователем энергии и он примерно одинаков во всех эксплуатационных режимах, даже для SynRM. Промышленный двигатель для систем VSD В проекте ротора и управлении привода двигателя ABB SynRM, ток двигателя, обратно пропорциональный коэффициентам мощности и полезного действия, ( 1/(η*cos(ρ)) , фактически ниже, чем у небольшого индукционного двигателя с таким же крутящим моментом и скоростью вращения, в основном из-за значительного выигрыша в производительности. Только для больших двигателей ток в преобразователе выше, чем у IM с таким же крутящим моментом. В целом, двигатель ABB SynRM работает с таким же типоразмером привода (например, ACS850), как и IM с такими же мощностью и крутящим моментом, хотя и при повышенной удельной мощности и с более высоким КПД в сравнении с IM. Повышение КПД двигателя преобразуется в практически одинаковое энергосбере-

жение на уровне привода. Другим основным преимуществом двигателя АВВ SynRM является простая конструкция ротора. Лишённая магнитов и клетки, конструкция ротора является более надёжной в сравнении с IM или РМ. Кроме того, отсутствует риск постоянных потерь производительности из-за возможного размагничивания в случае отказа или перегрева. Двигатель изначально безопасен в эксплуатации, так как, не имея магнитов, не индуцируется никакая противоэлектродвижущая сила, и защита преобразователя от перенапряжения становится излишней. Наконец, редкоземельные материалы для постоянных магнитов относительно дороги, и их поставки на некоторые рынки могут быть ограничены из-за географического местоположения основных поставщиков сырья. Устранение большинства потерь в роторе и его обтекаемая конструкция дают ряд преимуществ, как самому двигателю, так и связанному с ним оборудованию рис. 3. Двигатель, оснащённый этой технологией, можно эксплуатировать с определённым стандартами МЭК уровнем мощности для данного типоразмера. В этом случае, выигрыш в произво-

Для малых двигателей на 3–4 кВт свыше 60 процентов энергии может получаться при таком же повышении температуры. дительности с технологией VSD варьируется в диапазоне от 5 процентов для однокиловаттных двигателей до приблизительно 0,5 процентов для самых больших двигателей (типоразмер

3 Распределение потерь и эффективность

Причина потерь Сердечник ротора

98

Синхронный реактивный двигатель

96 Производительность (%) при снижении потерь

Индукционный двигатель

Проводник ротора Аэродинамические подшипники Сердечник статора Проводник статора

94 92 90 88 SynRM 86

IM

84 Снижение потерь: 10–30%

1

(Пример: 15 кВт @1500 об/мин)

315). Следовательно, там, где IM работал бы при повышении температуры до F-класса (105 K), АВВ SynRM работает всего лишь при повышении температуры до А-класса (60 K) рис. 4. Для сравнения, при работе с компрессором со скоростью вращения 4500 оборотов в минуту, двигатель АВВ SynRM показывает ещё более низкую температуру подшипника при работе с фактическим повышением до Н-класса (125 K) в сравнении с более крупным IM, работающим при повышении до F-класса (105 K). Поэтому такой двигатель был также назван «холодным» рис. 5. Такая работа с низкой температурой продлевает срок службы изоляции двигателя, подшипников или интервалы смазки. В частности, подшипники двигателя требуют и регулярного обслуживания, и в соответствии с некоторыми исследованиями отказ подшипников является основной причиной примерно 70 процентов незапланированных выходов двигателя из строя. Сниженная температура подшипников непосредственно продлевает интервалы смазки, уменьшает объём обслуживания и повышает надёжность. Даже если подшипник в конце концов потребует замены, отсутствие магнитной силы, в отличие от двигателя РМ, сделает замену такой же простой, как и в случае с IM. Технология обеспечивает эффективное использование крутящего момента на более высоких скоростях. При других применениях этой технологии, в работе часто поддерживается обычная температура B- или F-класса. Так как особенно тяжело игнорировать потери на роторе, если сравнивать с потерями на статоре, их практическое устранение оказало значительное влияние на эффективность вращающего момента. Для маломощных двигателей на 3 или 4 кВт, может быть получено на целых 60 процентов больше энергии при том же са-

мом повышении температуры. Для двигателя на 60 кВт выгода составляет примерно 40 процентов, а для двигателя на 220 кВт – 20 процентов по сравнению с IM. В большинстве случаев, одинаковый объём энергии может быть получен от двигателя, который на один или иногда на два типоразмера меньше, чем IM. Уменьшение площади основания заметно для всех применений, в которых могут использоваться конструкции меньшей высоты и более компактные двигатели. Дополнительный выигрыш – уменьшенная тепловая нагрузка на соседние компоненты, особенно в закрытых электрошкафах. Даже с этой значительно увеличенной удельной мощностью, ещё одно важное преимущество вытекает из устранения потерь на роторе: так как большая часть теплопередачи через вал ликвидирована, температура подшипника, особенно на приводном конце, уменьшается. Если сравнивать АВВ SynRM с IM на 6 кВт, это уменьшение составляет 30 K, с приблизительным сокращением от 15 до 20 K, типичным для всего спектра двигателей. Этот эффект особенно заметен на более высоких скоростях, а также при эксплуатации при более высоких классах температуры. Эта в целом высокая производительность сохраняется даже при таком высоком выходном уровне. Кроме того, у АВВ SynRM отличная кривая КПД при частичной нагрузке, которая типична для синхронных двигателей, то есть эффективность остаётся высокой даже при частичной нагрузке, что особенно ценится в приводах VSD для вентиляторов и насосов. Наконец, эти роторы показывают приблизительно 30 – 50-процентное снижение инерции из-за отсутствия клетки и магнитов. В самых динамических приме-

10

100

1000

Номинальная мощность (кВт)

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

нениях, таких как подъёмные краны, такое снижение означает дальнейшие преимущества в энергоэффективности, а также ускоренные циклы подъёма благодаря более высокой скорости отслеживания графика нагрузки. Конструкция ротора и её надёжность Большинство технических аспектов систем привода АВВ SynRMs непосредственно основано на существующей технологии. Корпус, клеммная коробка, статор, дизайн и технология обмотки, а также варианты подшипников идентичны IM. Поскольку 3-х фазный ток является синусоидальным, приводы тех же типов могут управлять этим типом двигателя, если программируемое оборудование оптимизировано и включает этот тип двигателя. Отличается только ротор. Ротор не такой сложный, как в IM и PM. Слоистые панели из электрической стали закреплены на валу, а сложность заДвижение вперёд

­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­59

4 Температурные классы

Температура окружающей среды – это температура воздуха, окружающего двигатель. Это пороговое значение или температура, которую должен иметь полностью отключенный и остывший двигатель. Повышение температуры – это изменение в двигателе, работающем с предельной нагрузкой. Различие между пусковой температурой двигателя и его конечной повышенной температурой является повышением температуры двигателя.

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

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

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

°C 180

15

155 130 120

10 Диапазон в зоне максимальных температур

105

10

Чтобы проверить надёжность нового ротора, в течение всего этапа разработки проводились интенсивные испытания системы привода и двигателя (см. заглавный рисунок, страницы 56-57). Условия привода насосов, вентиляторов, компрессоров, кранов и горнодобывающих механизмов были смоделированы с помощью метода испытаний под форсированной нагрузкой (HAST). Циклы HAST были спроектированы специально для этого двигателя, чтобы гарантировать надёжную работу в течение всего срока эксплуатации. Например, в ходе одного успешного эксперимента, проводимого с высокой частотой повторения, двигатель запускался и выключался на скорости выше допустимых по каталогу значений. Счёт рабочих циклов и условия перегрузки были рассчитаны таким образом, чтобы соответствовать более чем 20-летнему сроку эксплуатации при соблюдении номинальных значений.

5 Допустимое повышение температуры

60

80

105

125

Максимальная температура окружающей среды

40

40

40

40

A 105

B 130

F 155

H 180

40

0 Класс изоляции

Максимальная температура обмотки

Состояния привода насосов, вентиляторов, компрессоров, кранов и горнодобывающих механизмов были смоделированы с помощью метода испытаний под форсированной нагрузкой (HAST). ­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­60

зультатов этой комплексной оптимизации с использованием FEM, аналитических и генетических алгоритмов, состоял в том, что было установлено, что конфигурация с 4 полюсами лучше всего подходит для всего спектра скоростей вплоть до 6000 оборотов в минуту.

AББ Ревю 1|11

ключается в самом проекте. Интенсивное моделирование методом конечных элементов (FEM) использовалось для того, чтобы тщательно спроектировать поперечное сечение в том, что касается электрических и механических свойств. Важным выбором в ходе проектирования стали количество магнитных сегментов и точная форма воздушных барьеров, что определяет силу крутящего момента и ток намагничивания двигателя. Минимизация этого реактивного тока была критически важной для поддержания предпочтительной номинальной мощности привода. Точное размещение сегментов вдоль периферии существенно для создания плавного крутящего момента во время вращения, снижая, таким образом, уровень шума в сравнении с обычными двигателями. Одним из ре-

Преобразователь и управление привода Обычная технология приводов АББ, используемая для двигателей IM и РМ со стандартным прямым управлением крутящим моментом (DTC), была адаптирована для применения в SynRM в качестве нового типа двигателя. Несмотря на множество общих характеристик с двигателем РМ, за исключением нулевого потока ротора, основной акцент в ходе разработок был сделан на оптимизацию силы крутящего момента посредством управления максимальным крутящим моментом в расчёте на ампер (MTPA). Это гарантирует сохранение минимального тока двигателя в каждом рабочем режиме. Управление также включает возможности длядиапазона ослабления поля, т. е. диапазона скоростей, превышающих номинальную скорость. Максимальная расчётная скорость в полтора раза выше номинальной может быть достигнута для большей части диапазона режимов работы двигателя. Это управление приводом является особенно важным результатом для АББ, так как оно позволяет двигателю SynRM достичь заметно более высокой интенсивности крутящего момента, чем у IM.

5 Температурные сканы на термовидеокамере °C 50 45 40 35 30 25 Индукционный двигатель

Синхронный реактивный двигатель

VSD. Стандартный IM, оснащённый новым ротором в сочетании со стандартным приводом с новым программным обеспечением, привёл к созданию высокопроизводительной и высокоэффективной системы VSD. Характеристики производительности и эффективности сравнимы с приводом двигателя РМ, но использование технологий, связанных с надёжным индукционным двигателем, позволяют использовать преимущества двигателей обоих типов.

6 Рабочие характеристики привода двигателя для моделирования Рабочие характеристики новой системы привода двигателя даны для трёх типоразмеров двигателя согласно МЭК Двигатель, рост температуры класса F размер PN мм kW

nN r/min

PN kW

nmax r/min

Привод, 400 В Eff %(1/1)

TN Nm

MM kg

Код типа ACS-850-04

IN A

Шум Типо- MD dBA размер kg

100

4

1500

4

2250

84.3

25

22

010A-5

10.5

39

B

100

7.5

3000

7.5

4500

88.7

23

22

018A-5

18

39

B

5 5

100

13

4500

13

6000

90.5

27

22

030A-5

30

63

C

16

100

17.5

6000

17.5

6000

91.3

27

22

044A-5

44

71

C

16

160

26

1500

26

2250

91.7

165

180

061A-5

61

70

D

23

160

50

3000

50

4500

94.0

159

180

144A-5

144

65

E0

35

160

70

4500

70

5300

94.6

148

180

166A-5

166

65

E

67

280

110

1500

110

1800

96.0

700

640

260A-5

260

65

E

67

280

130

1800

130

2200

95.9

689

640

290A-5

290

65

E

67

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

Хайнц Ленденманн Реза Раджаби Мохаддам Корпоративный исследовательский центр, Вестерос, Швеция heinz.lendenmann@se.abb.com reza.r.moghaddam@se.abb.com

Установка и эксплуатация электродвигательного привода для данного двигателя не отличаются от привода VSD с двигателями IM или РМ. Стандартные особенности включают автоматическую идентификацию параметров, основанную на значениях заводской таблички и работу без применения датчиков. Двигатель не нуждается ни в каких датчиках скорости, но, тем не менее, он может поддер-

Обзор эксплуатационных характеристик Поскольку такому двигателю, как PM, требуется привод VSD, подходящие пары двигатель-привод ACS рекомендованы для широкого спектра мощности и скорости рис. 6.

АББ Отдел дискретной автоматизации и движения, двигатели и генераторы, Вааса, Финляндия ari.tammi@fi.abb.com Ларс-Эрик Танд АББ Отдел дискретной автоматизации и движения, двигатели и генераторы, Вестерос, Швеция

В качестве ответа на основные тенденции, господствующие на рынке, например, повышенную п р о и з в од и тел ь ность, эффективность, увеличение интервалов обслуживания и снижение площади основания, компания выпустила на рынок полностью новый двигатель, отлично подходящий к системам VSD. Была достигнута повышенная на 20-40% удельная мощность в сравнении с IM, с конструкцией ротора без короткозамкнутой клетки и без постоянных магнитов, меньшие габариты с меньшим теплообразованием и самой высокой эффективностью для систем

Дополнительным преимуществом является снижение тепловой нагрузки на соседние части, особенно в закрытых электрошкафах. живать высокую точность скорости, а также высокую динамику крутящего момента. Размеры привода могут быть заданы даже для специально указанной перегрузки и допустимой нагрузки в течение цикла.

Ари Тамми

lars-erik.thand@se.abb.com

Литература [1] Haikola, M. Без редукторов: решение прямого привода, разработанное концерном АББ, успешно отвечает требованиям растущего глобального спроса. «АББ Ревю» 4/2009, 12–15.

[2] Boglietti, A., Cavagnino, A. Pastorelli, M., Vagati, A., Экспериментальное сравнение рабочих характеристик индукционного и синхронного реактивного двигателей, протокол ежегодного заседания на 40-й конференции IEEE IAS, октябрь 2005, вып. 1, стр. 474–479.

[3] Germishuizen, J. J., Van der Merwe, F. S., Van der Westhuizen, K., Kamper, M. J., Сравнение рабочих характеристик синхронного реактивного и индукционного приводов для электропоездов, протокол ежегодного заседания на конференции IEEE IAS, 8-12 октября 2000 г., вып. 1, стр. 316–323.

Заглавный рисунок Система двигатель-привод проходит испытания под форсированной нагрузкой (HAST)

Движение вперёд

­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­61

­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­62

AББ Ревю 1|11

Другое альтернативное топливо Рациональное использование энергии является важнейшей составной частью неизменной энергетической политики для многих электростанций ВЕРНЕР ЯНИК, ЙОЗЕФ ЛАУЭР – По мере роста населения нашей планеты растёт и спрос на энергию. Долгосрочными последствиями этого спроса будет снижение поставок ископаемого топлива, которое в настоящее время является основным источником энергии в мире. Тем не менее, ископаемое топливо на сегодняшний день также «виновато» в большей части выбросов CO2, которые оказывают сильнейшее воздействие на изменение глобального климата. Поэтому, пока остаётся стабильная уверенность в производстве энергии на основе ископаемого топлива, этот заколдованный круг будет сохраняться. Конечно, давно было известно, что выход из этого затруднительного положения – это возобновляемые источники энергии. Тем не менее, хотя и наблюдается быстрый прогресс в замене тепловых электростанций возобновляемыми источниками энергии, многие проблемы всё ещё требуют своего решения прежде, чем возобновляемые источники смогут внести заметный вклад в общую энергетическую копилку человечества. К сожалению, время, отведённое нам на поиски возобновляемых источников энергии или на осуществление прорыва в ядерной энергетике, заканчивается. Параллельно с этой работой должны быть предприняты действия, направленные на защиту планеты и сохранение её богатств и биосферы для будущих поколений; этого можно достичь с помощью применения уже разработанных методов рационального использования энергии и технологий.

Другое альтернативное топливо

­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­63

1 Сравнение роста спроса на первичные энергоресурсы и электроэнергию

Китай Евросоюз и Сев. Америка 98% 7.1%

Ближний Восток (включая Израиль) и Африка 66%

Латинская Америка

Б

ольшинство производимой сегодня электрической энергии основано на сгорании ископаемого топлива. По сути, угольное топливо обеспечивает свыше 40 процентов поставок электричества во всём мире, делая выработку электричества единственным поистине масштабным и наиболее быстрорастущим источником выбросов CO2. Темп роста производства возобновляемой энергии достаточно высок, и соотношение между использованием энергии и уровнем выбросов может быть значительно снижено с помощью применения возобновляемых источников энергии. К сожалению, доля возобновляемой энергии в общем объёме всё ещё слишком мала; продолжаются исследования возможностей существенного увеличения объёма возобновляемой энергии.

Человечество не может позволить себе роскошь зря тратить время, и поэтому параллельно должны проводиться и другие усовершенствования, если мы хотим оптимизировать энергопотребление и минимизировать негативные последствия выброса парниковых газов в атмосферу. Проекты, разработанные Международным Энергетическим Агентством (IEA) показывают, что значительный потенциал снижения выбросов CO2 в течение ближайших 20 лет кроется в более рациональном использовании энергии в большей степени, чем в любых других возможностях, вместе взятых. Применение энергосберегающих технологий, методик и практик может немедленно повлиять на (т. е. снизить) соотношение между экономическим ростом и энергопотреблением. В области производства энергии, в частности, на тепловых электростанциях, технологии и методики, требуемые для достижения этих целей, уже находятся в арсенале концерна АББ. ­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­64

AББ Ревю 1|11

61%

210%

25%

Индия

128% 148%

292%

89%

Спрос на первичные энергоресурсы Спрос на электроэнергию

Источник: значения рассчитаны АББ на основе данных Сценария Текущих Политик МЭК на 2008-2035, содержащихся в Прогнозе мировой энергетики за 2010 г.

Энергетические проблемы сегодняшнего дня Во всех регионах мира спрос на электрическую энергию растёт в два раза быстрее, чем спрос на первичную энергию рис. 1. Эта тенденция особенно примечательна в развивающихся экономиках Ближнего Востока, Индии и Китая, где спрос на электроэнергию, как ожидается, составит от 140 до 261 процента по сравнению с 89 и 116 процентами для первичной энергии. Тем не менее, удовлетворение спроса на деле может нарушить баланс между производством и потреблением электрической энергии. Следовательно, глобальная цель энергоэффективности должна состоять в производстве из имеющегося ископаемого топлива максимально возможного количества электрической энергии при одновременном снижении её потребления. Экономия каждого барреля нефти, необходимого для производства эл е к т р о э н е р гии, может быть классифицирована как «дополнительное альтернативное топливо» для использования в других целях.

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

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

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

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

Методология рационализации энергопотребления, разработанная концерном АББ Методология концерна АББ по рационализации энергопотребления включает три стадии: – Стадия 1: Идентификация возможности – Стадия 2: Генеральный план – Стадия 3: Внедрение Соответствующие инструменты и методы, используемые в этой методологии, были разработаны с помощью опыта, полученного в ходе работы в широком и разнообразном спектре производства энергии и процессов потребления на

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

Имеющаяся энергия

Эта практика стала более или менее общепринятой во многих из числа сегодняшних электростанций, и у неё изначально имелся потенциал для производства «альтернативного топлива», т.е. энергоэффективности. Но прежде, чем любая электростанция начнёт инвестировать капитал в энергосберегающие технологии, придётся рассмотреть три фундаментальных вопроса: – У кого есть «ноу-хау» и технологии внедрения рентабельных процессов с низким энергопотреблением?

– Экономия какого типа может быть получена?

– Как можно всего этого достичь? На первые два вопроса можно ответить одной фразой: процессы и технологии, разработанные АББ, дают возможность повысить эффективность использования энергии на 8–10 процентов. Если взглянуть на эту ситуацию с другой стороны, объём сэкономленного топлива и средств (в расчёте за год) на взятой за образец уже упоминавшейся выше электростанции на 500 МВт составляют: – Первичное энергопотребление: 1,4 млрд. кг (3 млрд. фунтов) – Дополнительная подача энергии в сеть: 21,25 МВт-ч – Сэкономленная энергия: 22,5 млн. кВт-ч – Снижение выбросов CO2: 260 000 тонн – Эквивалентное дополнительное альтернативное топливо: 340 миллионов фунтов (что достаточно примерно для заправки 850 автомобилей в течение одного года!) В плане экономической осуществимости методов и технологий рационализации энергопотребления, опыт АББ показал, что для достижения этих целей вполне хватает среднего периода окупаемости от двух до трёх лет.

Первичные энергоресурсы

Транспорт Теряется 80% энергии Выработка

Передача и распределение

Промышленная обработка

Промышленное производство

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

Рабочие процессы и практики

Идентификация возможных улучшений с помощью управления процессом, изменений оборудования или альтернативных энергосберегающих технологий, как правило, касающихся следующих энергосистем: – оборудование с огневым подогревом (газотурбины, печи, нагреватели и т.д.)

– Паровые котлы, турбины и системы – Производство электроэнергии и оборудование – Крупные насосные, вентиляторные и двигательные системы – Электрические системы – высоковольтные и местные низко/средневольтные потребители – Сжатый воздух и газ промышленного применения – Отопление, вентиляция и кондиционирование (HVAC) – Промышленные морозильники и холодильники

Оценка рабочих процессов и практик, имеющих отношение к рационализации использования энергии во всех местных процессах и к работе вспомогательных систем с помощью всестороннего рассмотрения в сравнении с передовыми практиками, включая: – Энергетическую стратегию и политику – Способы управления энергией – Капитальные инвестиции – Информационные технологии – Оперативное руководство – Оперативное планирование и эксплуатационные характеристики – Обучение и развитие – Практики и стратегии в области обслуживания – Мотивацию персонала

многих станциях наших заказчиков в течение нескольких лет. Каждый шаг, предусмотренный в методологии рационализации энергопотребления, направлен на предоставление именно такой информации, которая необходима для того, чтобы дать возможность эксплуатантам электростанций возможность уверенно двигаться вперёд и, в конечном счёте, завершить программу внесения усовершенствований, способных обеспечить фактическую и стабильную экономию энергии. Идентификация возможностей

Целью первой стадии является оценка эффективности использования энергии, направленная на определение конкретных возможностей осуществления усовершенствований, подтверждая, как, где и для чего используется энергия; определение участков неэффективного использования; сравнение текущих характеристик с зарекомендовавшими себя передовыми промышленными практиками. Широкий диапазон аспектов управления энергией в общих чертах обрисован в рис. 3. На типичной работающей на угле электростанции, похожей на уже упоминавшуюся станцию 25-летней давности (т.е. выработка 500 МВт электроэнергии брутто, эффективность станции 34 про-

Проекты IEA показывают, что более рациональное использование энергии имеет больший потенциал для ограничения выбросов CO2 в течение следующих 20 лет, чем все другие варианты, вместе взятые.

Примечание 1 Британская тепловая единица (БТЕ) является традиционной единицей измерения энергии, равной примерно1055 килоджоулям; она составляет приблизительно объём энергии, необходимой для нагрева 454 грамм воды на 0,556°C.

Другое альтернативное топливо

­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­65

4 Элементы исследования по идентификации возможностей для работающей на угле построенной 25 лет назад электростанции на 500 МВт с эффективностью 34 процента Характеристики и управление паротурбины – Термодинамические характеристики – Характеристики испарителя (при наличии) – Оптимизация управления отбором/ противодавлением пара – Управление турбиной – в качестве отдельного агрегата и общее управление мощностями для оптимальной тепловой мощности Характеристики и управление газотурбины (ГТ) – Термодинамические характеристики – профилактическое обслуживание ГТ – Ухудшение характеристик – Управление ГТ – в качестве отдельного агрегата и общее управление мощностями для оптимальной тепловой мощности Характеристики и управление котлом – Термодинамические характеристики – Состояние питательной воды – Управление котлом – в качестве отдельного агрегата и общее управление котлами для оптимальной тепловой мощности – Системы распределения пара

Электрическое оборудование станции – Двигатели и приводы (насосы и вентиляторы) – Трансформаторы – Распределительные устройства – Полевые устройства – Система сжатого воздуха Система (системы) управления энергией – Учёт, мониторинг и контроль энергии – Тщательный анализ КПЭ и постоянные оценки рабочих характеристик – Интеграция в рамках политики управления энергией Оборудование панели управления – Система приёма данных – Аварийные системы – Оборудование собственных нужд Общая тепловая мощность станции – Возможности дальнейшей оптимизации

6 Меры, определённые для совершенствования энергопотребления на угольной электростанции – Оптимизация доставки угля – Совершенствование управления потоками в вытяжных и нагнетательных вентиляторах – Совершенствование управления насосом питательной воды для котла – Внедрение высокоэффективных двигателей и приводов – Оптимизированное управление турбинами – Передовое управление температурой пара – Стабилизация расхода теплоты и оптимизация сгорания – Снижение избыточного кислорода для сгорания в котле – Усовершенствованное управление давлением и уровнем питательной воды – Совершенствование электроэнергетической установки (ступенчатое повышение напряжения генераторов и трансформаторы собственных нужд) – Снижение числа протечек – Снижение потерь тепла – Тепловая оптимизация работы воздухоохладителя

5 График окупаемости инвестиций в идентификацию возможностей

высокий

ID101 PXXQ (Dys шасси) ID-00103

3.2.1

Установка привода VSD на 1 x насос

ID102 PXXW (Dys обмотка возбуждения) 3.2.1

Установка привода VSD на 1 x насос

ID103 PXX Управление давлением средний

3.2.1

низкий

Расчёты потенциальной экономии

Участок электростанции А1 Рассматриваемый проект

ID-00104

3.2.1

ID-00105b

насосных систем 3.2.1

ID-00107 ID-00102 низкий

Установка привода VSD на 1 x насос

ID105 Насосы PXX, PXY, PXz ID106 Установка привода VSD на 1 x насос ID108 VSD на каждой из указанных выше

ID-00110 ID-00101a

Давление в системе насоса

ID104 PXX Система насоса

ID107 PXX Система насоса 3.2.1

средний

высокий

Расчёт стоимости инвестиций

Установка привода VSD на 1 x насос

ID109 SX Башня охлаждения 3.2.1

Снизить «переохлаждение» - поднять

температуру циркулирующей воды

ID110 SX Башня охлаждения 3.2.1

цента, удельный расход тепла 10,2 БТЕ на кВтч, годовой коэффициент использования приблизительно 70 процентов), аспекты, которые сформировали бы отправные точки исследования по идентификации возможностей, даны в рис. 4. Оценив каждый из этих аспектов, специалисты АББ смогли бы описать характер и масштаб возможностей экономии энергии, и дать ясные рекомендации о том, какие дальнейшие шаги надо предпринять для реализации дополнительных потенциальных выгод. После завершения процесса оценки эффективности потребления энергии на основе исчерпывающего набора идентифицированных проектных возможностей, наиболее ­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­66

AББ Ревю 1|11

Установка привода VSD на вентиляторы

многообещающие из их числа воплощаются в жизнь. Другой способ определения того, какие отдельные меры должны приниматься – это использование графика окупаемости, на котором представлен качественный краткий обзор идентифицированных возможностей экономии энергии по отношению к ожидаемой экономии энергии и вероятной стоимости инвестиций рис.

5, или, говоря другими словами, на графике окупаемости визуально представлена базовая интерпретация окупаемости реализации идентифицированной возможности. Такая графическая оценка помогает быстро определить, какие меры (как правило, расположенные выше

оранжевой линии) обладают потенциалом хорошей окупаемости инвестиций. В примере с электростанцией, работающей на угле, меры, окончательно идентифицированные как стоящие капиталовложений в рационализацию энергопотребления, и которые являются вполне типичными для подобных примеров, приведены на рис. 6. В их число входят не только чисто технические меры, которые повысят эффективность энергопотребления электростанции; совершенствование производственного процесса как на уровне руководства станции, так и на уровне операторов также окажет существенное воздействие. Примеры потенциальных участков рационализации можно найти во многих производственных процессах электростанции: – Ручное отключение ненужных в данный момент устройств – Повышенная локализация частоты отклонения параметров изоляции – Разработка эффективной политики по замене освещения – Введение политики по замене устройств на основе оценки стоимости срока службы (LCA) – Разработка политики по профилактическому обслуживанию – Внедрение целевой программы эффективного пользования энергией. Генеральный план

На этом этапе возможности, идентифи-

7 Оценка стоимости энергии с применением трёхэтапной методологии АББ Текущий расход энергии на станции

Быстрый эффект

Преимущества рационального использования энергии в промышленности

Стоимость потерянной энергии

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

Котельная Системы водоснабжения Машинный зал Обработка материалов Сжатый воздух

Снижение расхода энергии Проекты

Теоретическое удельное энергопотребление Идентификация возможности

8 Определённые производственные участки электростанции потребляют большую долю всей потребляемой энергии

Генеральный план

Внедрение

цированные на стадии оценки, перерабатываются в подробный план внедрения. Генеральный план представляет собой набор проектов усовершенствований, каждый из которых имеет осязаемые и поддающиеся расчёту преимущества. Генеральный план в основном разрабатывается концерном АББ совместно с заказчиком, и в конце этапа разрабатывается чёткая «дорожная карта», включающая подробные проектные спецификации, чтобы позволить осуществить максимально экономичное внедрение мер по экономии энергии. Некоторые из самых быстровыполнимых и простых мер могут быть уже осуществлены заказчиком в течение этой стадии без помощи со стороны АББ. Тогда как многие возможности могут быть реализованы с помощью ключевых технологий АББ, те из них, которые не основаны на указанных технологиях, могут быть реализованы третьими сторонами. Внедрение

Внедрение в большинстве случаев выполняется совместно силами АББ и заказчика, или, в зависимости от проекта, только АББ с соответствующими партнёрами или другими производителями оригинального оборудования.

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

Очистка отработанных газов Резерв

0

ществлённых мер, как для технологий, управления, мониторинга и определения экономических показателей ТЭЦ, так и для рабочих режимов и практик. Успехи, в особенности для работающих на угле электростанций, сильно зависят от эксплуатационного режима станции; у станций, которыми управляют в установившемся режиме, есть лишь небольшой потенциал для оптимизации, в то время как те станции, для которых характерен режим работы с частичной нагрузкой, идеально подходят для проведения работ по идентификации возможностей рационализации использования энергии рис. 7. В примере со станцией на 500 МВт, приведённом в данной статье, можно достичь повышения тепловой мощности на 8 процентов. Можно также добиться снижения выбросов парниковых газов на 8 процентов по отношению к увеличившейся выходной мощности станции. Этот показатель распределяется более или менее равномерно между различными участками станции, в зависимости от влияния каждого из числа таких участков на общую паразитную нагрузку станции рис. 8.

5

10

15

20

25

30

35

40

Общая паразитная нагрузка (%)

Во всех регионах мира спрос на электрическую энергию растёт в два раза быстрее, чем спрос на первичную энергию. Эта тенденция особенно примечательна в развивающихся экономиках Ближнего Востока, Индии и Китая.

АББ, отдел производства электроэнергии, Мангейм, Германия werner.janik@de.abb.com Йозеф Лауэр

Оценка успехов Все осуществлённые методы усовершенствования эффективности использования энергии будут совершенно бесполезны, если не будут отмечаться постоянные ощутимые эффекты. Следовательно, представляется существенным внедрение надлежащих инструментов для регистрации и демонстрации достигнутых усовершенствований на всех соответствующих участках станции. Эта информация необходима в отношении всех осу-

АББ, отдел автоматизации производства,

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

Монреаль, Канада joseph.lauer@ca.abb.com Заглавный рисунок Даже при том, что темп роста доли возобновляемой энергии и без того достаточно высок, продолжаются исследования для более эффективного использования больших объёмов возобновляемой энергии.

Вернер Яник

Другое альтернативное топливо

­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­67

Как выдержать удар молнии АББ помогает защитить распределительные трансформаторы от быстрых перепадов напряжения ВОЙЦЕХ ПЯСЕЦКИ, МАРЕК ФЛОРКОВСКИ, МАРЕК ФУЛЬЧИК,

дополнительная защита. Исследования показывают, что

ПАВЕЛ КЛЫШ, ЭГИЛЬ СТРИКЕН, ПЁТР ГАВАНД – Удар молнии

несмотря на то, что каждая часть оборудования разрабатыва-

при любых обстоятельствах – опыт не из приятных. Для

лась таким образом, чтобы выдержать обычный скачок напря-

электрического оборудования это не только скачок напряже-

жения, целых 35 процентов от общего числа диэлектрических

ния, который может нанести ущерб, но также внезапное и

отказов энергетического оборудования могут быть вызваны

быстрое повышение напряжения. В некоторых случаях перепа-

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

ды напряжения могут быть намного резче, чем в обычных

полностью заново спроектировать оборудование, чтобы лучше

рабочих ситуациях, измеряемых по общим стандартам – они

справиться с такими перепадами. Более простой подход

могут резко увеличиться на мегавольты в течение микросекунд.

включает добавление компонента, который защитит оборудова-

Изоляция, защищающая обмотку трансформаторов и двигате-

ние от скачков, не затрагивая нормальную повседневную

лей, обычно не предназначена для таких перепадов и может

работу. Специалисты концерна АББ разработали именно такой

быть серьёзно повреждена, если не была предусмотрена

компонент.

­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­68

AББ Ревю 1|11

1 Перепады в энергетических сетях Перепады в энергетических сетях являются следствием: – внешних событий (например, ударов молний) – происшествий в самой сети (коммутирование, отказы) 50 Гц

+

= 0

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

Перенапряжение

4

8

(мс)

12

16

20

Колебания

dV/dt

Перепады в энергетических сетях приводят к перенапряжению и колебаниям фазового напряжения и тока.

В

ысокочастотные компоненты в спектре броска напряжения рис. 1 приводят к чрезмерно неравномерному распределению напряжения, что вызывает местную нагрузку на систему изоляции, выходящую далеко за пределы нормальной рабочей нагрузки. Кроме того, сложные внутренние конструкции электрического прибора могут действовать как многорезонансные контуры. Следовательно, высокие частоты могут дополнительно вызывать местное усиление. Получающаяся в результате нагрузка на систему изоляции может представлять угрозу сокращения срока службы всего оборудования, и такая нагрузка часто приводит к внутренним коротким замыканиям. Импульс напряжения, который может выдержать материал изоляции, в значительной степени зависит от времени повышения импульса. Этот критерий обычно принимается во внимание при выборе типа изоляции для электродвигателей. Особого внимания требует изоляция сухого типа для вращающихся электрических механизмов, когда такие механизмы работают с приводами, которые используют полупроводниковые коммутационные аппараты на высокой частоте. Изготовители таких механизмов часто указывают в руководствах по эксплуатации пределы амплитуд бро-

сков напряжения и соответствующее время нарастания. Особое беспокойство вызывают броски, время нарастания которых обычно ниже 1 мс [2], приводящие к нелинейному начальному распределению напряжения на обмотке. Это начальное неравномерное распределение напряжения даёт высоковольтную нагрузку на изоляцию и может привести к пробою, образованию короны и частичной разрядке рис. 2. Увеличивающийся спрос на более высокий выдерживающий уровень также наблюдается в сегменте распределительных трансформаторов. Такой спрос удовлетворяется с помощью нетрадиционных проектов обмотки, которые увеличивают как проектные, так и производственные затраты. Особое внимание уделяется трансформаторам, подверженным частым атмосферным разрядам. Операторы таких сетей часто требуют соответствия самым требовательным стандартам с проведением испытаний трансформаторов с крутым фронтом импульса. Финский стандарт SFS 2646 предписывает скорость нарастания напряжения (dV/dt) 2 МВ /мс [3]. Этот стандарт требует, чтобы трансформатор был защищён от перенапряжения с помощью искрового зазора. Поскольку искровой зазор реагирует относительно медленно, напряжение на терминалах трансформатора может (при испытательных условиях) повышаться до

уровня, значительно превосходящего основной уровень изоляции (BIL), определяемый рабочим напряжением оборудования. Кроме того, высокое dV/dt формы волны приводит к высокой нелинейности первичного распределения напряжения на обычной обмотке, что приводит к местной перегрузке системы изоляции рис. 3. Результаты экспериментов подтверждают этот факт и указывают на то, что искровой зазор, возможно, не обеспечивает достаточную защиту для распределительных трансформаторов [4] стандартного дизайна. Общее решение состоит в применении специального дизайна обмотки, включающего дополнительные элементы (электростатические экраны), уравнивающие первичное потенциальное распределение. Такое решение помогает избежать местной перегрузки с помощью высоких значений dV/dt, но оно усложняет как дизайн, так и процесс производства трансформаторов. Кроме того, пиковое

Особого внимания требуют скачки напряжения длительностью менее 1 мс, приводящие к нелинейности первичного распределения напряжения в обмотке. перенапряжение, тем не менее, доходит до обмотки трансформатора, и таким образом, размеры изоляции должны быть такими, чтобы выдерживать перенапряжение сверх стандартного уровня. Как выдержать удар молнии

­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­69

2 Первичное нелинейное распределение электрического потенциала по обмотке трансформатора

4 Идеализированное представление частотных характеристик полного сопротивления серийного дросселя

80 60 40 20 1

0.8

0.6 0.4 0.2 Длина обмотки

0

Напряжение (%)

100

0

Полное сопротивление

120

Z(f) → R

Z(f) → 0

t = 500 ns t→∞

Частота

t = 100 ns

3 Воздействие волнового фронта удара молнии на трансформатор

V

2MV/µs

Vpeak VBIL 1.2 µs

t

V = Импульс удара молнии мощностью 2 МВ, фронтально разделённый искровым зазором Vpeak = Напряжение на трансформаторе, защищённом искровым зазором VBIL = Стандартный уровень BIL для стандартного трансформатора

transformer

Стандартная форма волны BIL (зелёная линия) является образцом.

SmartChoke – защита на основе продольного полного сопротивления Специалисты концерна АББ разработали альтернативу такому специальному дизайну трансформатора, спроектировав последовательно соединённый фильтрующий элемент (называемый дросселем) на входе защищаемого оборудования. Основной принцип работы серийного элемента заключается в обеспечении соответствующей частотной зависимости полного сопротивления рис. 4. Это решение делает устройство практически проницаемым на частоте 50 или 60 Гц, одновременно подавляя компоненты чрезмерно высокой частоты. Эксперименты продемонстрировали эффективность этого метода в сокращении скорости dV/dt, вытекающей из перепадов, связанных с повторным зажиганием разряда и предразрядом в автоматическом выключателе. Установленный снаружи серийный дроссельный элемент, объединенный с маленьким шунтирующим конденсатором, снизил скорость dV/dt до безопасного уровня, а также устранил высокочастотные колебания, которые в противном случае последовали бы за таким перепадом [5]. Успешное уменьшение числа индуцированных коммутированием перепадов dV/dt подняло вопрос: можно ли было применить подобный подход, чтобы снизить вызванные ударом молнии перепады dV/

dt, которым часто подвергаются столбовые распределительные трансформаторы? Кроме того, АББ стремится объединить устройство с самим трансформатором. Серийный дроссельный элемент может расцениваться в качестве альтернативы уже упоминавшейся специально разработанной обмотке, в которой использованы электростатические экраны для уравнивания распределения потенциала на высоких частотах. Серийный дроссельный элемент формирует фильтр низких частот, если он объединён с собственной способностью трансформатора (при высокой частоте характеристики обмотки трансформатора могут быть представлены его перегрузочной способностью). Эта способность меняется в зависимости от типа и размера устройства. Для масляных трансформаторов она может составлять от одного до нескольких нФ на фазу. Частотная характеристика такого фильтра может затем быть оптимизирована выбором соответствующих параметров

Дроссель последовательно подсоединяется на входе защищаемого оборудования. Основной принцип работы серийного элемента заключается в обеспечении соответствующей частотной зависимости полного сопротивления.

­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­70

AББ Ревю 1|11

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

U peak

6 Трансформаторный ввод со встроенным дроссельным фильтром SmartChoke

<1MV/µS

2MV/µS

t

t

Z(ω)

7 Экспериментально замеренное снижение перенапряжения и dV/dt V1 без SmartChoke V

R и L. Кроме того, необходимо обеспечить правильную работу дросселя в нормальных эксплуатационных режимах и его способность выдерживать испытания на короткое замыкание. В зависимости от соотношения между значениями R, L и C, реакция схемы может быть непериодической, или может дополнительно содержать колебательные составляющие. Если значение сопротивления ниже критического значения Д Rc, периодические члены равны нолю, а выходное напряжение является сочетанием экспоненциальных функций. Исходя из этого, выбор соответствующего значения для гасящего сопротивления чрезвычайно важен для того, чтобы достигнуть максимально возможного снижения dV/dt, при этом предотвращая выброс и колебания напряжения на выходе дроссельного элемента рис. 5.

V 2 с вводом SmartChoke

t

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

Выбор соответствующего значения для гасящего сопротивления чрезвычайно важен для того, чтобы достигнуть максимально возможного снижения dV/dt. При таком подходе способность C эквивалентна способности трансформатора замыкания фазы на землю. Поскольку, как указано выше, пределы этой способности известны для определённого класса трансформатора, оптимизация значений R и L может быть достигнута для всех типовых трансформаторов определённой категории. Рассматривая идеализированную ситуацию на рис. 3, в которой импульс молнии на 2 МВ разделён искровым зазором, надо отметить, что незащищённое оборудование (например, столбовой трансформатор) испытало бы на пике фазное напряжение свыше 270 кВ (со скоростью dV/dt 2 МВ/мс). С серийным дроссельным элементом, установленным на входе защищаемого устройства, ниже становится Как выдержать удар молнии

­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­71

9 Сравнение различных сценариев защиты

dV/dt перенапряжения VP Искровой зазор

V

dV/dt не изменилась VP >> VBIL

VBIL

dV/dt перенапряжения Искровой зазор

V

dV/dt снизилась VP ≅ VBIL

VBIL VP

dV/dt перенапряжения Металоксидный варистор (MOV)

V

dV/dt не изменилась VP < VBIL

VBIL VP

dV/dt перенапряжения Металоксидный варистор (MOV)

V

VBIL VP

dV/dt снизилась VP < VBIL

1. Искровой зазор и обычный ввод – Очень высокая dV/dt и VP выше стандартного BIL – необходим нестандартный дизайн обмотки 2. Искровой зазор и ввод SmartChoke – dV/dt снижена, а VP в рамках стандартного BIL – стандартный дизайн обмотки

тры и уменьшают dV/dt и, следовательно, также пиковое значение крутых волновых фронтов, надо заметить, что первичная функция защитного устройства – это сокращение перепада dV/dt, вызванного перенапряжением от удара молнии; следовательно, они являются лишь дополнением к стандартной защите от перенапряжения, например, с помощью защитных искровых зазоров или металлооксидных разрядников рис. 9.

3. MOV и обычный ввод – Очень высокая dV/dt и VP ниже стандартного BIL – может понадобиться нестандартный дизайн обмотки

4. MOV и ввод SmartChoke – dV/dt и VP ниже стандартного BIL – стандартный дизайн обмотки

Войцех Пясецкий Марек Флорковский Марек Фульчик Корпоративный исследовательский центр АББ, Краков, Польша wojciech.piasecki@pl.abb.com marek.florkowski@pl.abb.com marek.fulczyk@pl.abb.com Павел Клыш

Проведённые эксперименты показали, что снижение dV/dt выше в сравнении со стандартным вводом трансформатора более чем в два раза.

не только dV/dt, но и пиковое значение волновых фронтов, достигающих трансформатора. Трансформатор, оснащённый защитой SmartChoke Описанная концепция серийного дроссельного элемента была внедрена в новых распределительных трансформаторах АББ, снабдив их самой совершенной защитой от резких перепадов dV/dt. Элемент SmartChoke вмонтирован во ввод трансформатора рис. 6 и, таким образом, резкие перепады dV/dt от­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­72

AББ Ревю 1|11

фильтровываются прежде, чем успевают дойти до обмотки. Параметры дроссельного элемента, совмещённого с залитым эпоксидной смолой вводом трансформатора, настроены таким образом, чтобы один и тот же ввод мог использоваться для защиты всех типов распределительных трансформаторов, установленных на столбовых подстанциях распределительных сетей. Проведённые эксперименты показали, что снижение dV/dt выше в сравнении со стандартным вводом трансформатора более чем в два раза. Также было отмечено значительное снижение пикового перенапряжения рис. 7. Трансформатор, оснащённый вводом SmartChoke рис. 8, был сертифицирован в соответствии с финским стандартом SFS 2646 в высоковольтной лаборатории Хельсинкского Технологического Университета в городе Эспоо, Финляндия. Было продемонстрировано, что трансформатор со стандартным дизайном обмотки и имеющий защитные дроссели, совмещённые с вводом, а также искровой зазор 2 × 40 мм, выдержит без вреда для себя импульс удара молнии силой 2 МВ/мс. Успешная защита Использование дросселя на вводе защищаемого оборудования показало привлекательную альтернативу комплексной переработке проекта самого оборудования. Хотя дроссельные филь-

АББ, Отдел энергетических машин, распределительные трансформаторы, Лодзь, Польша pawel.klys@pl.abb.com Эгиль Стрикен АББ Отдел энергетических машин, распределительные трансформаторы, Драммен, Норвегия egil.stryken@no.abb.com Пётр Гаванд АББ Отдел энергетических машин, устройства, Пшасныш, Польша piotr.gawad@pl.abb.com

Литература [1] Agrawal, K. C. (2001). Справочник по промышленной энергетической инженерии и применениям. Newnes.

[2] Рабочая группа IEEE. (Август 1981 г.) Сила импульсного напряжения вращающихся механизмов переменного тока. Труды IEEE по энергетическим устройствам и системам: Вып.

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

[3] Финская ассоциация стандартизации. (29 июня 1987). SFS 2646, Столбовые подстанции.

[4] Burrage, L. M., Shaw, J. H., McConnell, B. W. (Апрель 1990 г.). Характеристики распределительного трансформатора при действии крутых фронтовых импульсов. Труды IEEE по поставкам энергии, Вып. 5(2).

[5] Glinkowski, M., Piasecki, W., Florkowski, M., Fulczyk, M., Arauzo, F. (май 2008 г). Устройство Smart-Choke для защиты оборудования от резких перепадов напряжения. Доклад представлен на конференции IEEE PES по передаче и распределению энергии, Чикаго, штат Иллинойс, США Заглавный рисунок Удары молнии являются причиной сильных перепадов напряжения, которые причиняют ущерб электрооборудованию.

Обмен данными Концерн АББ осуществляет первое коммерческое применение стандарта для шин обработки данных МЭК 61850-9-2 LE СТЕФАН МАЙЕР – Введение стандарта МЭК 61850 – важный

ционными технологиями. Теперь стало реальностью более

шаг вперёд на пути автоматизации подстанции, и этот процесс

эффективное подсоединение первичного (высоковольтного)

продолжает идти. Одним из примеров может служить примене-

оборудования к проверенной на практике защите подстанции

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

АББ и устройствам управления. При этом повышается надёж-

ными аналоговыми значениями с использованием технологии

ность и работоспособность модернизированных подстанций.

Ethernet. Интегрируя эту технологию в свои системы автомати-

Сочетая эти жизненно важные технологии в первом в мире

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

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

ний опыт в производстве нетрадиционных измерительных

рует подстанцию, пущенную в эксплуатацию в 1999 году.

трансформаторов тока и напряжения с последними коммуникаОбмен данными

­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­73

К

онцерн АББ, пионер в области NCIT1 и технологий шин обработки данных, приступил к пуску в эксплуатацию серии из шести открытых подстанций, оснащённых шинами обработки данных и NCIT в 1999 году. Подстанции с применением смешанных технологий, или «гибридные» подстанции, поставленные австралийскому поставщику коммунальных услуг, компании Powerlink Queensland, были основаны на интеллектуальной системе, работающей по принципу «включи и коммутируй», (plug-and-switch, iPASS). Электронные модули, встроенные в приводы автоматического выключателя, разъединителя и заземлителя модулей системы iPASS, могли осуществлять связь с помощью запатентованной оптической шины обработки данных. Кроме того, модули iPASS были оборудованы датчиком АББ ELK-CP для измерения напряжения и тока, также подсоединённым к шине обработки данных.

Шина обработки данных представляет собой коммуникационную сеть между первичным оборудованием (таким, как измерительные трансформаторы) и вторичным (таким, как IED2 защиты и управления) системы автоматизации подстанции. Эта оптическая коммуникационная сеть применяется для передачи аналоговых данных (например, замеров тока напряжения). Сеть может также использоваться для передачи двоичных данных (таких как показатели состояния распределительного устройства) и команд открытия и закрытия (чтобы управлять выключателями и разъединителями), но всё это не является частью текущего внедрения шин обработки данных. На сегодняш-

для измерения тока и двух независимых ёмкостных делителей для измерения напряжения. Поскольку это оборудование не содержит масла, оно и экологично, и безопасно. Полностью продублированный дизайн датчиков (включая соответствующую электронику) позволяет использовать две полностью независимые и параллельные защитные системы, повышая производительность вторичной системы. Поскольку электроника датчика может быть заменена независимо и без необходимости отключения всей защитной системы, ремонтные работы потребуют меньше времени и, так как не требуется обслуживать части, находящиеся под высоким напряжением, проведение таких работ станет значительно безопаснее рис. 2. Специалисты концерна АББ установили свыше 300 таких электронных датчиков в подстанциях компании Powerlink. Примечательно, что в течение более чем десяти лет работы не произошло ни одного отказа первичных преобразователей. Основываясь на накопленных данных, было рассчитано, что среднее время между отказами (MTBF) электроники датчиков составляет почти 300 лет. Всё это доказывает чрезвычайно высокую надёжность и производительность датчиков, даже при эксплуатации в суровых климатических условиях Австралии. Модернизация Компания Powerlink начала осуществление проекта по модернизации, предусматривающего замену вторичного оборудования гибридных подстанций, включая специализированную электронику, подсоединяемую к шине обработки данных. Основным требованием данной модернизации является приведение оборудования в полное соответствие международным стандартам, в частности, внедрение шины обработки данных для выборочных аналоговых значений, соответствующей стандарту МЭК 61850-9-2 LE рис. 3. Компания Powerlink присудила контракт на модернизацию первой подстанции iPASS концерну АББ. Этот проект представляет собой первое в мире коммерческое применение шины обработки данных, соответствующей стандарту МЭК 61850-9-2 LE. Внедрение такой шины уже идёт полным ходом.

Публикация стандарта МЭК 61850 стала новой главой в описании функциональности и коммуникаций подстанции. них традиционных подстанциях эта информация передаётся через многочисленные параллельные медные кабели. Использование оптоволоконных сетей не только устраняет громоздкие медные кабели, но и увеличивает эксплуатационную безопасность, изолируя первичные процессы от вторичных рис. 1. Датчики серии ELK-CP основаны на повторяющих друг друга поясах Роговского3 ­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­74

AББ Ревю 1|11

1 Шина электростанции и обработки данных в подстанциях Дистанционное управление

Шина электростанции

Шина обработки данных

MU NCIT

MU NCIT

Шина обработки данных, соответствующая стандарту МЭК 61850-9-2 LE Опубликование международного стандарта МЭК 61850 стало новой главой в описании функциональности и коммуникаций подстанции. Впервые появился стандарт, поддерживающий подлинную совместимость между устройствами различных производителей, обладающий дизайном, соответствующим требованиям даже завтрашнего дня. Этот стандарт быстро завоевал признание на рынке4. Концерн АББ сыграл важную роль в создании стандарта и продолжает быть движущей силой в его поддержании и дальнейшем развитии. После осуществления первого в мире проекта с участием различных поставщиков в 2004 году, АББ продолжает поставлять более тысячи систем, оснащённых совместимой с МЭК 61850 шиной электростанции, приблизительно в 70 стран мира. После успешного введения стандарта МЭК 61850 на уровне электростанции, его важность в горизонтальном обмене данными с использованием шины обраПримечания 1 NCIT: нетрадиционный измерительный трансформатор 2 IED: интеллектуальное электронное устройство 3 Пояс Роговского – это устройство для измерения переменного тока. В его состав входит кольцевая обмотка. Токоведущий проводник проходит через центр кольцевого сердечника. На выходе датчика получается напряжение, пропорциональное производной тока.

4 См. также «АББ Ревю» Специальный отчёт по МЭК 61850

ботки данных быстро растёт. Дополняя возможность стандарта определять все необходимые обмены критическими по времени сигналами между процессом и устройствами подстанции, раздел 9-2 посвящён обмену выборочными аналоговыми данными через Ethernet. Стандарт МЭК 61850-9-2 требует, чтобы аналоговая выборка передавалась так называемыми объединяющими устройствами (MU). MU коррелирует и объединяет аналоговые данные, поступающие от отдельных фаз или точек измерений в подстанции прежде, чем передать их через Ethernet, откуда доступ к данным могут получать устройства защиты и управления. С внедрением CP-MUP, АББ стала первой компанией, предлагающей проверенное на соответствие и сертифицированное Агентством по стандартизации и сертификации (UCA) 5 объединяющее устройство. Стандарт МЭК 61850-9-2 позволил осуществлять стандартизованный обмен сигналами от NCIT, поддерживая очевидные преимущества технологии NCIT, включающие самый высокий уровень точности по всему диапазону измерений, компактный дизайн и значительно повышенную безопасность по сравнению с традиционным оборудованием. Чтобы облегчить внедрение раздела 9-2 и упростить его применение, Международная Группа Пользователей UCA разработала директиву по внедрению стандарта МЭК 61850-9-2. Директива предоставляет собой дополнительную информацию и параметры по внедрению стандарта. Этот документ обозначается как МЭК 61850-92 LE (сокращённая редакция) и является преобладающим среди всех сегодняшних применений раздела 9-2. Поскольку объединяющие устройства NCIT создаются специально под конкретный тип NCIT, они формируют единый блок, который можно совместно разрабатывать и испытывать на соответствие типу, позволяя определять режим работы всей измерительной цепи на порте МЭК 61850. Это отличает их от автономных объединяющих устройств (SAMU), взаимодействующих с традиционными CT 6 и VT 7.

SAMU выбирают аналоговые сигналы и передают их на шину обработки данных. Преобразование аналоговых данных в цифровую выборку неизбежно влияет на переходные характеристики измерительной цепи. Этот динамический режим работы SAMU не регламентируется стандартом МЭК 61850. Работа в этом направлении проводится соответствую-

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

3 Стандартизация характеристик неустановившегося напряжения и коммуникационных интерфейсов

Традиционный

Классы TPX, TPY, TPZ МЭК 60044/МЭК 61869 Трансформатор тока

Защитное устройство Преобразующая фильтрация выборочных аналоговых значений

Принцип: магнитный

Внутренний обмен данными

Алгоритм защиты

NCIT с соответствующей шиной обработки данных МЭК 61850-9-2

NCIT

MU

Объединяющее устройство

Трансформатор тока Принцип: магнитный, оптический и т.д.

Преобразующая фильтрация выборочных аналоговых значений

Передача Защитное устройство данных: МЭК 61850-9-2 Алгоритм защиты

Независимый трансформатор и шина обработки данных МЭК 61850-9-2

Автономное объединяющее устройство

Трансформатор тока

SAMU

Преобразующая фильтрация выборочных аналоговых значений

Принцип: магнитный

Неустановившийся/ динамический режим?

щими техническими комитетами и рабочими группами МЭК и Международного совета по большим электрическим системам (CIGRE). Определение будет внесено в текст будущего международного стандарта для измерительных трансформаторов МЭК 61869 рис. 3. Совершенствование проверенной на практике технологии датчиков с помощью самой современной шины обработки данных В осуществлении проекта модернизации для компании Powerlink АББ, используя свой обширный опыт в области NCIT, заменит первоначально установленную запатентованную шину обработки данных на шину с применением технологий МЭК 61850. Новая система, совместимая со стандартом МЭК 61850, будет осуществлять процессы коммуникации как на общестанционном уровне, так и на уровне отдельных устройств. В проекте Powerlink Queensland концерн АББ намеревается применить свою си-

Transmission of values: IEC 61850-9-2

Защитное устройство

Алгоритм защиты

Стандарт находится в процессе подготовки техническим комитетом МЭК TC38

Использование оптоволоконных сетей не только устраняет громоздкие медные кабели, но и увеличивает эксплуатационную безопасность.

Footnotes 5 Международная Группа Пользователей UCA является некоммерческой организацией, занимающейся оказанием помощи пользователям и продавцам в практическом применении стандартов в различных отраслях промышленности согласно соответствующим требованиям.

6 CT: трансформатор тока 7 VT: трансформатор напряжения

Обмен данными

­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­75

4 Система автоматизации подстанции для распределительных устройств с полуторной схемой коммутации с одной или двумя дублирующими системами защиты Управление секцией IED A10 REC670

CP-MUP Объединяющее устройство

NCIT

IED защитный фидер 1 RED670

Секция A10 IEC61850-9-2LE NCIT Фидер 1 CP-MUP Объединяющее устройство

NCIT

BBP/BFP cекционный блок A10 REB500 BU

Управление секцией IED A30 REC670 BFP cекционный блок A30 REB500 BU

Секция A30

Управление секцией IED A20 REC670

NCIT Фидер 2 NCIT

CP-MUP

IED защитный фидер 2 REL670

Объединяющее устройство Секция A20

BBP/BFP cекционный блок A20 REB500 BU

NCIT

Концерн АББ сыграл важную роль в создании стандарта МЭК 61850 и продолжает быть движущей силой его дальнейшего развития. стему автоматизации подстанции SAS600, IED защиты и управления серии Relion® 670 и децентрализованную сборную шину REB500, а также устройства резервирования отказов выключателей. Все входящие в состав системы устройства защиты и управления будут подсоединены к шине обработки данных МЭК 61850-9-2 LE и будут получать выборочные аналоговые данные от объединяющих устройств АББ CP-MUP. MU будут взаимодействовать с существующим комбинированными датчиками тока и напряжения через новую электронную начинку датчика. Таким образом, можно свести к минимуму необходимые измене­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­76

AББ Ревю 1|11

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

мацию о долгосрочной стабильности и рабочих режимах экспериментального оборудования по сравнению с традиционными или нетрадиционными устройствами. Всё защитное и контрольно-измерительное оборудование АББ подвергается суровым проверочным испытаниям серийной продукции в собственном испытательном центре АББ, сертифицированном UCA 8. Кроме того, на испытательном полигоне концерна АББ была проведена проверка концепции проекта модернизации вторичной системы компании Powerlink при участии экспертов обеих компаний. Особое внимание было уделено поведению системы при различных сбоях. Система сработала надёжно, в соответствии со спецификацией; ни при каких условиях не наблюдалось чрезмерной реакции или подачи неверных сигналов на отключение. Такие ошибочные сигналы, произойди они в реальной ситуации, могли привести к аварийному отключению электросети. Во время моделирования различных возможных условий сбоев постоянное и тщательное наблюдение над всеми компонентами системы доказало свою важность в обеспечении возможности быстрой и точной идентификации ошибок. Непрерывное наблюдение со стороны системы решительно уменьшает потребность в периодических работах по техобслуживанию и чрезвычайно упрощает обслуживание, проводимое персоналом подстанции, благодаря указанию точного участка, на котором произошёл сбой. Испытания и техническое обслуживание устройств с шиной обработки данных Замена медных проводов на оптоволоконные кабели и описание передаваемой информации согласно стандарту МЭК 61850 открывают новые возможности для интеллектуальных инструментов тестирования, применяемых в целях технической поддержки при вводе в эксплуатацию и обслуживании систем автоматизации подстанции. Концерн АББ оперативно представил на рынке интегрированный инструмент для тестирования ITT600 9, содержащий полный набор инструментов, помогающих

Примечание 8 См. также «Проверено и утверждено: АББ располагает своим собственным центром приёмочных испытаний» на страницах 23–28 «АББ Ревю»: Специальный отчёт по МЭК 61850.

5 Одна из подстанций АББ iPASS с трансформаторами NCIT

пользователям извлечь максимальную выгоду из преимуществ применения стандарта МЭК 61850.

ITT600 уменьшает сложность лежащего в его основе стандарта МЭК 61850 и предоставляет персоналу, занятому в тестировании и обслуживании, чёткое визуальное изображение данных, имеющихся в системе. Например, ITT600 облегчает проверку соответствия установки описанию конфигурации станции (SCD) и помогает проанализировать связь между устройствами IED и общестанционной системой. После начала внедрения шины обработки данных для выборочных аналоговых значений, к набору были добавлены соответствующие инструменты. Это особенно важно в сценарии, при котором измерения производятся транс-

сети МЭК 61850-9-2. Используя свой богатый опыт интеграции МЭК 61850 и разработки инструментов для тестирования, АББ разрабатывает многофункциональный анализатор для выборочных аналоговых значений рис. 6. Преимущество анализа данных на шине обработки данных в сравнении с обычными измерениями тока и напряжения проявляется, когда нужно получить доступ к точкам измерения. Когда все значения доступны в сети шины обработки данных, больше нет необходимости получать доступ к находящимся под напряжением компонентам, производить короткое замыкание и открывать терминалы трансформатора тока. Соединяя порт Ethernet инструмента анализа с шиной обработки данных, или же непосредственно с объединяющим устройством, инженер по обслуживанию может легко получить доступ ко всем потокам выборочных значений. В отличие от анализа амперметром или в о л ьт м е т р о м , анализатор 9–2 быстро отображает данные, которые ранее не были доступны напрямую. В их число входят отображения тока и напряжения сразу на всех фазах, векторные диаграммы и всесторонняя информация по переданным блокам данных. Эта последняя информация даёт важнейшее представление об исправности системы и может, например, указывать на

Всё защитное и контрольноизмерительное оборудование АББ подвергается суровым проверочным испытаниям серийной продукции в собственном испытательном центре АББ, сертифицированном UCA. форматорами NCIT с помощью оптической связи с объединяющими устройствами. В такой ситуации все терминалы традиционных трансформаторов тока и напряжения окажутся устаревшими, и весь анализ будет проводиться в

6 Анализатор АББ МЭК 61850-9-2

то, что в настоящий момент какие-либо части системы подвергаются испытаниям. Будущие тенденции Используя весь потенциал концепции шины обработки данных и его определения в стандарте МЭК 61850, двоичные данные могут также передаваться через оптическую сеть связи между первичным процессом и IED защиты и управления. Помещая модули двоичного ввода и вывода близко к первичному процессу, можно убрать практически весь медный кабель, что, в свою очередь, даст дополнительные преимущества, такие как возможность электрически изолировать системы на уровнях процесса и устройств, а также непрерывный мониторинг всех сигналов. Комбинируя самое современное применение стандарта МЭК 61850 на уровне как всей электростанции, так и на уровне процесса с обширным опытом в области технологии NCIT, АББ создаёт интеллектуальные, рассчитанные на требования завтрашнего дня предложения, чтобы удовлетворить спрос на более надёжные, эффективные и безопасные решения, максимально увеличивая преимущества и стоимость активов заказчика.

Стефан Майер АББ, Системы для энергетики Баден, Швейцария stefan.meier@ch.abb.com Примечание 9 См. также: «В условиях испытаний: полный спектр программного обеспечения концерна АББ для проведения испытаний и пуска в эксплуатацию для систем автоматизации подстанций» на страницах 29–32 «АББ Ревю»: Специальный отчёт по МЭК 61850.

Обмен данными

­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­77

Результаты нашей работы в читательских отзывах АББ Ревю

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

Да 97%

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

4 Насколько вас устраивает объём статей?

60 50 Процент (%)

40 30 20 10 0 Обычно не хватает технической информации

Иногда не В статьях Иногда Обычно хватает достаточ- техниче- техничетехничено ской ской ской техниче- информа- информаинформаской ции ции ции информа- слишком слишком ции много много

Обычно слишком коротко

Иногда слишком коротко

Объём Иногда Обычно статей слишком слишком достаточ- растянуто растянуто ный

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

350

45

300

40 35

250 Процент (%)

Респонденты

Нет 3%

Да 92%

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

200 150 100

30 25 20 15 10

50

5

0 Чтобы Чтобы Чтобы Для В учебных Для Для набора лучше лучше лучше продаж/ целях цитирова- персонала понять понять понять маркетинния в своих технологии предложе- технологии га собственАББ ния АББ в целом ных работах

Всего респондентов: 494

­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­78

2 Порекомендуете ли вы «АББ Ревю» вашим коллегам?

Нет 8%

Процент (%)

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

AББ Ревю 1|11

Другое

0 Чрезвычайно недоволен

Недоволен

Отношусь нейтрально

Доволен

Очень доволен

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

Кларисса Халлер (Clarissa Haller) Начальник корпоративного отдела связей

Рон Поппер (Ron Popper) Начальник отдела корпоративной ответственности

Ээро Яэскеля (Eero Jaaskela) Начальник отдела корпоративного бухучёта

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

Издатель «АББ Ревю» издается Группой НИОКР и технологий АББ АББ Technology Ltd. АББ Review Affolternstrasse 44 CH-8050 Цюрих Швейцария «АББ Ревю» выходит четыре раза в год на английском, французском, немецком, испанском, китайском и русском языках. «АББ Ревю» распространяется бесплатно для всех, кто заинтересован в технологиях и целях АББ. Для подписки обратитесь в ближайшее представительство АББ или оформите подписку через интернет на сайте www.abb.com/abbreview Частичная перепечатка или воспроизводство разрешены при условии полного указания источника. Полная перепечатка требует письменного согласия издателя. Издатель и авторское право ©2011 ABB Technology Ltd. Цюрих/Швейцария Типография Vorarlberger Verlagsanstalt GmbH AT-6850 Дорнбирн, Австрия Макет DAVILLA Werbeagentur GmbH AT-6900 Брегенц, Австрия Disclaimer Содержащаяся здесь информация отражает мнения авторов и представлена только в информационных целях. Читатели не должны предпринимать какие-либо действия на основе содержащейся здесь информации, не обратившись за профессиональными рекомендациями. Мы публикуем статьи с пониманием того, что авторы не предоставляют никаких технических или иных профессиональных рекомендаций или мнений касательно определённых фактов или вопросов и не берут на себя никакую ответственность в связи с их использованием. Компании концерна АББ не дают гарантию или гарантийные обязательства, или обещание, выраженное или подразумеваемое, в отношении содержания или точности представленных здесь мнений.

ISSN: 1013-3119

Анонс номера 2|11

Нефть и газ Согласно расчётам, произведённым американским Управлением по энергетической информации (EIA), нефть составляет приблизительно 36 процентов первичной энергии, расходуемой на планете, и является единственным и самым крупным источником первичной энергии. Природный газ занимает третье место (после угля) и его доля составляет приблизительно 23 процента. Вместе взятые, эти источники энергии покрывают почти 60 процентов потребностей человечества в энергии, и являются эквивалентом более ста миллионов баррелей в день. Непрерывность поставок нефти и газа имеет первостепенное значение для экономики, промышленности и для бесчисленных сфер деятельности человека. Несмотря на рост в области альтернативных энергий и ядерной энергетики, а также прогресс в рационализации энергопотребления, необходимые человечеству объёмы потребления нефти и газа, вероятнее всего, продолжат увеличиваться в течение многих и многих лет. АББ предоставляет многочисленные технологии, которые укрепляют цепочку создания добавленной стоимости нефти и газа. Эти технологии используются в промышленности почти на всех этапах, от проведения исследований и добычи до переработки и транспортировки. В номере «АББ Ревю» 2/2011 будут более подробно рассмотрены некоторые из вкладов компании в развитие этих вызывающих глубокий интерес отраслей промышленности.

www.abb.com/abbreview

Анонс

­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­79

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

Безусловно.