Blok zasilania wzbudzenia silnika synchronicznego z regulatorem mocy biernej

Transkrypt

1 dr inż. MARIAN HYLA Politechnika Śląska w Gliwicach Blok zasilania wzbudzenia silnika synchronicznego z regulatorem mocy biernej W artykule przedstawiono kompletny blok zasilania wzbudzenia silnika synchronicznego z bezstycznikowym obwodem wzbudzenia. Zaimplementowane w nim algorytmy kontroli rozruchu pozwalają na wykonanie rozruchu silnika w optymalnym czasie według zadanych parametrów. Wbudowany mikroprocesorowy regulator mocy biernej umożliwia wykorzystanie silnika jako elementu wykonawczego nadrzędnego układu kompensacji. System łączności udostępnia wielotorową współpracę z urządzeniami zewnętrznymi. słowa kluczowe: silnik synchroniczny, kompensacja mocy biernej, sterowanie mikroprocesorowe 1. WPROWADZENIE Silniki synchroniczne dużej mocy w kopalniach głębinowych wykorzystywane są głównie w napędach sprężarek, wentylatorów przewietrzania wyrobisk i choć obecnie coraz rzadziej w układach przetwornic maszyn wyciągowych. Znaczne momenty bezwładności powodują, że rozruch dużych silników synchronicznych jest jednym z najważniejszych zagadnień związanych z ich eksploatacją. Zastosowanie przedstawionego kompletnego bloku zasilania wzbudzenia z mikroprocesorowym układem sterowania pozwala na zautomatyzowanie sterowania układem napędowym i zwiększa niezawodność jego pracy. Umożliwia również zastąpienie energochłonnych i niewygodnych w obsłudze wzbudnic elektromaszynowych oraz pozwala na statyczną lub nadążną regulację mocy biernej z możliwością współpracy z centralnym układem kompensacji mocy kopalni. Rys. 1. Schemat układu sterowania silnika: MS silnik synchroniczny, WT wzbudnica tyrystorowa, P system mikroprocesorowy, PT prostownik tyrystorowy, UR układ rozruchowy, W wyłącznik, O odłącznik, WD wyłącznik dławika, DŁ dławik rozruchowy [opr. wł.]

2 58 Mining Informatics, Automation and Electrical Engineering 2. KONCEPCJA URZĄDZENIA Na rys. 1. przedstawiono koncepcję kompletnego bloku zasilania silnika synchronicznego z mikroprocesorowym układem sterowania. Urządzenie pozwala na przeprowadzenie rozruchu silnika zarówno w układzie klasycznym, jak i w układzie z dławikiem rozruchowym poprzez odpowiednie sterowanie wyłącznikami w obwodzie 6 kv oraz mostkiem tyrystorowym w obwodzie wzbudzenia. Do załączania i wyłączania rezystora rozruchowego w obwodzie wzbudzenia w miejsce powszechnie wykorzystywanego stycznika zastosowano klucze tranzystorowe w konfiguracji umożliwiającej przepływ dwukierunkowego prądu indukowanego w uzwojeniu wzbudzenia podczas rozruchu silnika [3]. Bezstycznikowy układ wzbudzenia pozwala na zwiększenie niezawodności i trwałości układu. 3. ROZRUCH SILNIKA Rozruch silnika synchronicznego odbywa się poprzez załączenie napięcia zasilania stojana bez wymuszania I prądu w obwodzie wzbudzenia. Aby zapobiec powstawaniu wysokich napięć na zaciskach obwodu wzbudzenia, na czas rozruchu do uzwojenia wzbudzenia dołączany jest rezystor rozruchowy umożliwiający przepływ prądów indukowanych w uzwojeniu wzbudzenia. Po osiągnięciu przez silnik prędkości bliskiej prędkości synchronicznej, gdy w uzwojeniu wzbudzenia indukowane są niewielkie prądy o niskiej częstotliwości, następuje dołączenie źródła zasilającego uzwojenie wzbudzenia oraz odłączenie rezystora rozruchowego [3]. W celu ograniczenia prądów rozruchowych w napędach o ciężkim rozruchu stosuje się dodatkowy dławik rozruchowy. Po zmniejszeniu prądu rozruchowego i po uzyskaniu przez silnik odpowiedniej prędkości dławik rozruchowy jest zwierany wyłącznikiem, a wymuszenie prądu wzbudzenia następuje po zwarciu dławika. Prezentowany układ pozwala na sparametryzowanie procedury rozruchowej zarówno w trybie rozruchu czasowego, jak i prądowego. Na rys. 2. przedstawiono ideę rozruchu prądowego w układzie klasycznym, a na rys. 3. ideę rozruchu w układzie z dławikiem przy trybie zwierania dławika czasowym i trybie rozruchu prądowym. Obszar kontroli prądu IP1 tip1 Załączenie wzbudzenia Przekroczenie czasu rozruchu tp1 tr t Rys. 2. Idea rozruchu prądowego w układzie klasycznym: tp1 minimalny czas rozruchu, IP1 prąd końcowy, tip1 czas prądu końcowego, tr maksymalny czas rozruchu [opr. wł.] I Obszar kontroli prądu IP1 Zwarcie dławika tip1 Załączenie wzbudzenia Przekroczenie czasu rozruchu td1 tp1 tr t Rys. 3. Idea rozruchu prądowego z trybem zwierania dławika czasowym: td1 czas do zwarcia dławika, tp1 minimalny czas rozruchu, IP1 prąd końcowy, tip1 czas prądu końcowego, tr maksymalny czas rozruchu [opr. wł.]

3 Nr 1(521) March Przy rozruchu prądowym ustalany jest minimalny czas rozruchu tp1, po którym aktywne stają się procedury kontroli prądu stojana. Kontrolowany jest czas oscylacji prądu tip1 wokół ustawionej wartości prądu końcowego IP1. Po osiągnięciu przez silnik prędkości podsynchronicznej i przekroczeniu ustalonego czasu tip1 następuje załączenie mostka tyrystorowego i wymuszenie prądu w obwodzie wzbudzenia. Parametr tr określa maksymalny dopuszczalny czas rozruchu. Z kolei rozruch czasowy polega na załączeniu prądu wzbudzenia po czasie określonym parametrem. Kontrola czasu lub oscylacji prądu wykorzystana może być zarówno do załączenia dławika rozruchowego, jak i wymuszenia prądu w obwodzie wzbudzenia. W układach z dławikiem rozruchowym możliwe jest ustalenie dowolnej sekwencji trybu rozruchu i trybu załączania dławika zarówno czasowego, jak i prądowego. Po wymuszeniu prądu w obwodzie wzbudzenia kontrolowana jest jego wartość, a po przekroczeniu wartości ustawionej parametrem następuje wyłączenie tranzystorów układu rozruchowego i odłączenie rezystora rozruchowego. Ostatnim etapem procedury rozruchowej jest możliwość forsowania prądu wzbudzenia podczas rozruchu, co pozwala na łagodne przejście silnika do pracy synchronicznej. Sterowanie prądem wzbudzenia lub mocą bierną poprzez zmianę prądu wzbudzenia w trakcie pracy synchronicznej powinno odbywać się w sposób zapewniający stabilną pracę napędu, bez niebezpieczeństwa wypadnięcia silnika z synchronizmu. Wymaga to ograniczenia minimalnej dopuszczalnej wartości prądu wzbudzenia przy aktualnym obciążeniu mocą czynną [1, 4, 5]. W rzeczywistych układach napędowych obciążenie silnika może się zmieniać w znacznym zakresie. W związku z tym zdecydowano się na przyjęcie stałej wartości minimalnego prądu wzbudzenia wyznaczonej dla największego możliwego obciążenia silnika. Na rys. 4. przedstawiono dopuszczalny obszar pracy silnika synchronicznego wykorzystywany przez wbudowane regulatory prądu wzbudzenia i mocy biernej. Obszar ten ograniczony jest przez wartości znamionowe prądu stojana i prądu wzbudzenia oraz minimalną wartość prądu wzbudzenia zapewniającą pracę napędu w stanie synchronicznym przy maksymalnym występującym w układzie obciążeniu [2]. 4. PRACA SYNCHRONICZNA W oprogramowaniu systemu mikroprocesorowego bloku zasilania wzbudzenia zaimplementowano procedury regulacji prądu wzbudzenia lub mocy biernej silnika realizowane podczas pracy synchronicznej napędu [2]. W obu przypadkach wartość zadana może być przesyłana z systemu nadrzędnego z wykorzystaniem łącza RS-485, sieci Ethernet, określana na podstawie pomiaru sygnału prądowego 4-20 ma lub wprowadzana z klawiatury urządzenia. Zdalne zadawanie mocy biernej wykorzystywane jest w sytuacji, gdy urządzenie współpracuje z nadrzędnym systemem kompensacji mocy biernej w kopalnianej sieci elektroenergetycznej. W przypadku regulacji mocy biernej przy wykorzystaniu silnika jako autonomicznego kompensatora wartość zadana mocy biernej może być określana na podstawie charakterystyk czasowych wprowadzonych do pamięci urządzenia. Istnieje możliwość zdefiniowania do 10 przedziałów czasowych dla każdego z dni tygodnia. Rys. 4. Obszar pracy silnika synchronicznego (opr. wł. na podst [2]) W procedurze regulacji mocy biernej w przypadku konieczności forsowania prądu wzbudzenia następuje automatyczne przełączenie na układ regulacji prądu wzbudzenia, a po zakończeniu procedury forsowania powrót do poprzedniego stanu pracy. 5. WYŁĄCZENIE SILNIKA W chwili wyłączenia silnika synchronicznego układu napędowego konieczne jest również wyłączenie prądu wzbudzenia. W powszechnie stosowanych układach stycznikowych następuje wyłączenie zasilania obwodu wzbudzenia i dołączenie rezystora rozruchowego w celu rozładowania energii uzwojenia wzbudzenia. W prezentowanym urządzeniu procedura wyłączenia polega na wysterowaniu mostka tyrystorowego do pra-

4 60 Mining Informatics, Automation and Electrical Engineering cy falownikowej bez dołączenia rezystora rozruchowego. Praca falownikowa mostka tyrystorowego umożliwia szybkie rozładowanie energii obwodu wzbudzenia poprzez zwrot do sieci bez obciążania rezystora rozruchowego [3]. Dołączenie rezystora, w celu przygotowania napędu do ponownego rozruchu, następuje po całkowitym zaniku prądu w obwodzie wzbudzenia. 6. STEROWANIE I KONTROLA UKŁADU Sterowanie układem może odbywać się z poziomu panelu operatorskiego wyposażonego w graficzny wyświetlacz LCD. Na rys. 5. przedstawiono płytę czołową urządzenia. Zdalna kontrola aktualnego stanu pracy napędu możliwa jest poprzez wbudowane łącze RS-485 z protokołem MODBUS, łącze USB współpracujące z oprogramowaniem diagnostycznym lub poprzez sieć Ethernet z poziomu przeglądarki internetowej. Zdalny dostęp kontrolowany jest przez system autoryzacji. System mikroprocesorowy urządzenia rejestruje wartości pomiarowe prądów i napięć z możliwością wyświetlenia wybranych przebiegów na ekranie lub przesłania ich do innego urządzenia. Rejestrowane są także wszystkie zmiany stanu lub trybu pracy, wystąpienie zdarzeń alarmowych lub awaryjnych, przełączeń itp., co umożliwia analizę pracy napędu i diagnozowanie ewentualnych nieprawidłowości. Rys. 5. Płyta czołowa urządzenia [opr. wł.] Na rys. 6. przedstawiono okno oprogramowania diagnostycznego, a na rys. 7. wybrane informacje dostępne za pomocą przeglądarki internetowej. Rys. 6. Oprogramowanie diagnostyczne [opr. wł.] Rys. 7. Monitorowanie pracy silnika za pomocą przeglądarki internetowej [opr. wł.]

5 Nr 1(521) March Rys. 8. Szafa sterownicza z modułem kompletnego bloku zasilania wzbudzenia silnika synchronicznego [mat. firmy JJA Progress] Rys. 9. Szafy sterowne wentylatora przewietrzania dołu kopalni z kompletnym blokiem sterowania wzbudzenia silnika synchronicznego [mat. firmy JJA Progress] 7. KONSTRUKCJA URZĄDZENIA Kompletny blok zasilania wzbudzenia silnika synchronicznego jest urządzeniem zrealizowanym w postaci pojedynczego modułu z ustandaryzowanym systemem połączeń zewnętrznych, pozwalającym na prosty montaż oraz szybką wymianę zarówno jego części siłowej, jak i sterującej w przypadku ewentualnej awarii. W jednej obudowie znajduje się mostek tyrystorowy, tranzystorowy układ sterowania rezystorem rozruchowym, sterownik z regulatorem cyfrowym, układy pomiarowe i kontrolne. Urządzenie przeznaczone jest do zasilania wzbudzenia silników synchronicznych o prądzie ciągłym do 400 A. Typowym jego zastosowaniem są układy sterowania stacji wentylatorów w kopalniach, napędy sprężarek lub przetwornic maszyn wyciągowych. Produkowana jest także wersja do zasilania generatorów synchronicznych. Oprogramowanie systemu mikroprocesorowego pozwala na szerokie sparametryzowanie pracy napędu z możliwością jego dostosowania do funkcjonowania w nietypowych układach. Na rys. 8. przedstawiono szafę sterowniczą z modułem zasilania wzbudzenia, a na rys. 9. pełny układ sterowania w stacji wentylatorów przewietrzania dołu kopalni z blokiem sterowania wzbudzenia silnika synchronicznego. 8. PODSUMOWANIE Przedstawiony kompletny blok zasilania wzbudzenia silnika synchronicznego z mikroprocesorowym regulatorem mocy biernej jest produktem krajowym, opracowanym przez firmy ENEL-PC oraz JJA Progress z udziałem naukowców Politechniki Śląskiej w Gliwicach. Jest to najnowocześniejsze urządzenie tego typu na rynku. Zautomatyzowanie procesu rozruchu silnika synchronicznego skutkuje uproszczeniem obsługi i zmniejszeniem awaryjności oraz umożliwia wykorzystanie urządzenia w układach automatycznego załączania rezerwowego napędu w przypadku awarii układu podstawowego. Możliwość wykorzystania silnika jako elementu wykonawczego w nadążnym systemie kompensacji mocy biernej pozwala na prostą integrację urządzenia z zakładowymi systemami zapewnienia jakości energii elektrycznej. Liczne wdrożenia w kopalniach węgla kamiennego i rud miedzi potwierdzają niezawodność i efektywność zastosowanych rozwiązań. Literatura 1. Bajorek Z.: Teoria maszyn elektrycznych, Wydawnictwo Politechniki Rzeszowskiej, Rzeszów Hyla M.: Mikroprocesorowy regulator mocy biernej silników synchronicznych, Materiały VIII Sympozjum Podstawowe Problemy Energoelektroniki i Elektromechaniki PPEE 99, Wisła, marca Hyla M.: Wybrane aspekty sterowania tyrystorową wzbudnicą silnika synchronicznego, Materiały V Ogólnopolskiej Konferencji Naukowej Modelowanie i Symulacja MIS-5, Kościelisko, czerwca Kaczmarek T., Zawirski K.: Układy napędowe z silnikiem synchronicznym, Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań Plamitzer A.: Maszyny elektryczne, WNT, Warszawa Artykuł został zrecenzowany przez dwóch niezależnych recenzentów.