Dziś jest poniedziałek, 9 grudzień 2019 r.
Energoelektronika.pl na stronach Facebook REKLAMA MAPA SERWISU KONTAKT
Strona główna Załóż konto Artykuły branżowe Katalog firm Seminaria FAQ Kalendarium Słownik Oferta
Wyszukaj
1USD 3.85 -0.17% 1EUR 4.2721 -0.13% 1GBP 5.0527 -0.24%
Zaloguj się
Login (adres e-mail):
Haslo:
  Rejestracja
  Zapomniałem hasła
Reklama

Reklama

Aktualności
IIX edycja Targów Energetycznych ENERGETICS już w listopadzie!
więcej
Przed nami 32. edycja targów ENERGETAB 2019
więcej
Przyszłość sektora motoryzacji w Polsce ? raport Banku Pekao S.A.
więcej
72 edycja Seminarium dla Służb Utrzymania Ruchu - Kielce - Relacja
więcej

Zobacz archiwum

Kalendarium
12 grudzień 2019
XII EDYCJA SEMINARIUM Z ZAKRESU "Eksploatacji urządzeń elektrycznych w strefach zagrożenia wybuchem Ex ATEX" 
więcej
Newsletter
Jeżeli chcesz otrzymywać aktualne informacje o wydarzeniach w branży.
Podaj e-mail do subskrypcji:


Artykuły branżowe
27 lipiec 2012.

Cyfrowe zabezpieczenie od uszkodzeń diod wirujących we wzbudnicach bezszczotkowych

Cyfrowe zabezpieczenie od uszkodzeń diod wirujących we wzbudnicach bezszczotkowych

W artykule przedstawiono nowo zaprojektowane cyfrowe zabezpieczenie wykrywające uszkodzenie diod wirujących wzbudnic bezszczotkowych do generatorów i silników synchronicznych. Dokonano krótkiego uzasadnienia celowości stosowania takiego rodzaju zabezpieczenia. Przedstawiono dwie możliwe konfiguracje proponowanego zabezpieczenia. Jedno w konfiguracji mogące stanowić integralną częścią regulatora układu wzbudzenia drugie, jako niezależna samodzielna jednostka, doposażona w układ przetworników pomiarowych. W artykule przedstawiono założenia i opis proponowanej metody wykrywania uszkodzenia zaworu półprzewodnikowego. Przedstawiono wyniki symulacji potwierdzające prawidłowość algorytmu przyjętego do realizacji, funkcji zabezpieczających. Zaprezentowano rejestracje przebiegów, wykonanych podczas uruchomienia prototypu zabezpieczenia, pracującego w konfiguracji, jako integralna część układu wzbudzenia silnika synchronicznego. Przedstawiono rzeczywiste przebiegi uzyskane w czasie próby z rozwartą diodą układu prostowniczego. Dokonano oceny pracy zabezpieczenia w warunkach rzeczywistych.

1. Wstęp

W maszynach synchronicznych wzbudzenie może być realizowane przy użyciu magnesów trwałych, lub poprzez zasilanie uzwojeń wirnika prądem stałym. Typowa konstrukcja maszyny synchronicznej składa się z trójfazowego uzwojenia twornika znajdującego się w stojanie oraz uzwojenia wzbudzenia umieszczonego na wirniku. Uzwojenie wirnika zasilane jest poprzez szczotki i pierścienie ślizgowe lub bezszczotkowo poprzez prostownik diodowy. W rozwiązaniu bezszczotkowym wirnik maszyny synchronicznej jak i wirnik wzbudnicy umieszczone są na wspólnym wale. Uzwojenie wzbudnicy poprzez wirujący prostownik zasila uzwojenie wzbudzenia maszyny synchronicznej. Eliminując z układu części mechaniczne w postaci szczotek i pierścieni ślizgowych uzyskano większą niezawodność pracy.

2. Układ kontroli diod wirujących

2.1 Problemy wzbudnic bezszczotkowych

Zastosowanie wzbudnic bezszczotkowych w znaczący sposób zmniejsza konieczność rewizji i nadzoru wzbudnic, ze względu na brak szczotek i pierścieni ślizgowych. Mankamentem tego rozwiązania jest brak możliwości łatwej kontroli stanu diod prostowniczych.
Diody prostownika wirującego mogą ulec uszkodzeniu w trakcie eksploatacji. Występują dwa rodzaje uszkodzeń: zwarcie diody i przerwa.
Zwarcie diody powoduje przepływ dużego prądu wzbudzenia w uzwojeniu głównym wzbudnicy, co prowadzi do jej nadmiernego nagrzania i w konsekwencji uszkodzenia. Uszkodzenia tego typu są bardzo niebezpieczne dla całego układu wzbudzenia musi, więc ono zostać szybko wykryte, a cały układ wyłączony z małą zwłoką.
W przypadku wystąpienia przerwy w jednej z gałęzi mostka maszyna może pracować dalej, jednak w pewnych sytuacjach szczególnych może to prowadzić do przeciążenia wzbudnicy powodując dalsze uszkodzenia.
O ile w przypadku zwarcia diody uszkodzenie jest jednoznaczne i dość łatwe do wykrycia, to w przypadku wystąpienia przerwy w gałęzi mostka obsługa i ekipy remontowe mogą mieć znaczne trudności ze zdiagnozowaniem uszkodzenia, co może doprowadzić do rozprzestrzenienia się uszkodzenia i znacznie podnieść koszty naprawy i czas postoju maszyny.

2.2 Cyfrowe zabezpieczenie od uszkodzeń diod wirujących

Cyfrowe zabezpieczenie od uszkodzeń diod wirujących we wzbudnicach bezszczotkowych ma za zadanie w przypadku wystąpienia zwarcia lub przerwy w gałęzi mostka wyłączyć pracującą maszynę w określonym czasie, sygnalizując jednocześnie wystąpienie tego typu uszkodzenia.
Zabezpieczenie opracowane zostało w dwóch konfiguracjach, jako integralna część regulatora układu wzbudzenia, gdzie algorytm odpowedzialny za detekcję uszkodzenia zaadoptowany został przez program główny regulatora (rys.1). Drugim rozwiązaniem jest zabezpieczenie stanowiące samodzielną jednostkę polową, doposażoną w układ przetworników pomiarowych. Oba proponowane rozwiązania realizowane są w oparciu o sterownik DX 369-03 firmy Energotest sp. z o.o. Zabezpieczenie umożliwia współpracę z regulatorami układu wzbudzenia maszyn synchronicznych lub może pracować niezależnie współpracując z systemem zabezpieczeń maszyny.


Rys. 1. Schemat układu wzbudzenia z regulatorem wyposażonym w zabezpieczenie od uszkodzeń diod wirujących

3. Metoda wykrywania uszkodzenia diody


Rys. 2. Diagram przedstawiający realizację metody identyfikacji uszkodzenia diod wirujących

Proponowana metoda identyfikacji uszkodzenia diody polega na detekcji pojawiającej się harmonicznej określonego rzędu w prądzie wzbudzenia wzbudnicy i określeniu na podstawie jej amplitudy czy doszło do uszkodzenia. Algorytm realizujący zaproponowaną metodę identyfikacji uszkodzenia diody przedstawiono w postaci diagramu na rys. 2.
Realizacja pomysłu sprowadza się do wykonania rozkładu w szereg Fouriera rejestrowanego przebiegu prądu wzbudzenia wzbudnicy, w celu określenia amplitudy harmonicznej. Następnie wartość amplitudy zostaje poddana ocenie. Jeśli amplituda mieści się w przedziale wartości dopuszczalnych zabezpieczenie zezwala na dalszą pracę maszyny, jeśli przekroczy wartość dopuszczalną zabezpieczenie generuje impuls na wyłączenie. Założeniem proponowanej metody jest detekcja określonej jednej harmonicznej bez badania całego widma przebiegu prądu wzbudzenia, co znacznie upraszcza algorytm oraz skraca czas obliczeń. Przyjęto założenia, iż amplituda szukanej harmonicznej zależy w znaczącym stopniu od rodzaju uszkodzenia natomiast rząd szukanej harmonicznej ściśle związany jest z liczbą biegunów wzbudnicy, maszyny synchronicznej oraz aktualną częstotliwością sieci zasilającej. Amplitudy harmonicznych obliczyć można z ogólnego wzoru (1)

 

1)  

Wyrazy an i bn są składowymi ortogonalnym i szeregu Fourier' obliczane według wzorów (2) i (3)

2)  

3)  

gdzie:
N - ilość próbek na okres aktualnej częstotliwości sieci zasilającej;
n - rząd harmonicznej;
m - kolejne wyrazy szeregu;
Iww -wartość prądu wzbudzenia wzbudnicy

W celu potwierdzenia założeń w pierwszym etapie badań przy użyciu symulatora zamodelowano układ maszyny synchronicznej ze wzbudnicą bezszczotkową o liczbie biegunów 2p = 16. Wykonano symulacje pracy układu z uszkodzeniem diody w wirującym prostowniku. Zarejestrowane przebiegi prądów wzbudzenia układu z rozwartą i zwartą diodą przedstawiono na rysunkach 3 i 5. Wykonano analizę zawartości harmonicznych dla obu rozpatrywanych przypadków (rys. 4 i 6). Na podstawie przeprowadzonej analizy potwierdzone zostały założenia, iż w przypadku uszkodzenia diody w widmie prądu wzbudzenia pojawiają się harmoniczne określonego rzędu. W rozpatrywanym przypadku pojawiła się harmoniczna rzędu 8 i jej wielokrotności. W przypadku zwarcia diody procentowa zawartość amplitudy harmonicznej odniesiona do wartości średniej prądu wzbudzenia Iwwśr - Amn, sięgała 60%, a dla przerwy wartość ok. 8%. Oznacza to, że wartości amplitud mogą stanowić podstawę do określenia, czy doszło do uszkodzenia diody.

Rys. 3. Przebieg prądu wzbudzenia wzbudnicy z przerwaną diodą dla Iwwśr=5,0 A Rys. 4. Wartości harmonicznych w przebiegu jak na rys. 3
Rys. 5. Przebieg prądu wzbudzenia wzbudnicy ze zwartą diodą dla Iwwśr=4,34 A Rys. 6. Wartości harmonicznych w przebiegu jak na rys. 5

W drugim etapie wykonano układ modelujący przebieg prądu wzbudzenia wzbudnicy z uszkodzonym wirującym prostownikiem, którego schemat blokowy przedstawiono na (rys. 7). Człon pomiarowy regulatora wzbudzenia z wprowadzonym algorytmem detekcji harmonicznej określonego rzędu połączono z zaprojektowanym układem.


Rys. 7. Schemat blokowy układu do prób wykrywającego uszkodzenia diody we wzbudnicy bezszczotkowej, gdzie: IwwAC, IwwDC. -składowe zmienna i stała w prądzie wzbudzenia wzbudnicy Iww

Na podstawie symulacji oraz badań laboratoryjnych potwierdzono, iż w przypadku uszkodzenia diody we wzbudnicy bezszczotkowej w widmie prądu wzbudzenia pojawiają się harmoniczne określonego rzędu o znacznej wartości amplitudy. Parametrami kryterialnymi dla detekcji właściwej harmonicznej są ilość biegunów wzbudnicy oraz maszyny synchronicznej, oraz aktualna częstotliwość sieci zasilającej. Wykrycie przerwy i zwarcia w mostku prostowniczym bez wprowadzenia w/w parametrów do algorytmu uniemożliwia właściwą detekcję uszkodzenia.

4. Realizacja projektu i ocena pracy zabezpieczenia

Regulator wzbudzenia z wprowadzonym algorytmem, detekcji uszkodzenia diod wirujących, uruchomiony został z silnikiem synchronicznym ze wzbudnicą bezszczotkową. Wykonano, próby pracy układu bez uszkodzenia prostownika oraz z uszkodzonym (rozwarcie diody) prostownikiem wirującym. Podczas prób nie nastąpiło niepotrzebne pobudzenie zabezpieczenia w przypadku pracy sprawnego układu, natomiast w przypadku uszkodzenia diody, nastąpiło pobudzenie zabezpieczenia i wyłączenie układu. Na rys. 8 przedstawiono zarejestrowany przebieg prądu wzbudzenia oraz na rys. 9 wartości harmonicznych w zarejestrowanym przebiegu prądu.

Rys. 8. Przebieg prądu wzbudzenia wzbudnicyz przerwaną diodą dla Iwwśr=4,995 A Rys. 9. Wartości harmonicznych w przebiegu jak na rys.6

Zarejestrowane przebiegi oraz wartości harmonicznych potwierdzają, iż w przypadku przerwy diody we wzbudnicy w przebiegu prądu wzbudzenia pojawiają się charakterystyczne harmoniczne o znacznych amplitudach.
Podczas badań nie było możliwości przeprowadzenia próby funkcjonowania zabezpieczenia dla wzbudnicy ze zwartą diodą. Jednakże symulacje przeprowadzone na wstępnym etapie projektowania zabezpieczenia wykazały, iż w przebiegu prądu wzbudzenia dla stanu zwarcia, także pojawiają się harmoniczne tego samego rzędu, co dla przypadku pracy z rozwartą diodą, a amplituda charakterystycznej harmonicznej jest nawet większa niż dla przypadku z rozwartą diodą

mgr inż. Włodzimierz Garski -kierownik działu Automatyki Elektroenergetycznej, Energotest sp. z o.o. Biuro Gdańsk, wgarski.energotest.com.pl, 80-308 Gdańsk, Polanki 12,
mgr inż. Adam Maj -specjalista ds. Układów Energoelektronicznych, amaj.energotest.com.pl

Źródło: Energotest Sp. z o.o.
O nas  ::  Regulamin  ::  Polityka prywatności (Cookies)  ::  Reklama  ::  Mapa stron  ::  FAQ  ::  Kontakt
Ciekawe linki: www.klimatyzacja.pl  |  www.strony.energoelektronika.pl  |  promienniki podczerwieni
Copyright © Energoelektronika.pl