Vodní dílo Kadaň – elektronická hřídel

V roce 1972 bylo uvedeno do trvalého provozu vodní dílo Kadaň na řece Ohři, které se nachází na okraji královského města Kadaň. Hlavním účelem vodního díla je zajištění minimálního průtoku pod nádrží a tím zabezpečení odběru vody v profilu jezu Želina ČS (ČS – čerpací stanice) pro elektrárnu Tušimice II, zajištění odběru vody pro ČS Mikulovice pro elektrárny Prunéřov I a Prunéřov II, zajištění odběru vody ČS Rašovice společnosti Povodí Ohře s. p., která zásobuje vodou Průmyslový přivaděč vody (resp. Podkrušnohorský přivaděč). Vedlejším účelem vodního díla Kadaň je energetické využití – provoz MVE.

Jedná se o betonovou tížnou hráz, která má tři bezpečnostní přelivy a na pravém břehu zabudovanou malou vodní elektrárnu. Bezpečnostní přelivy jsou regulovány pohyblivou hradící konstrukcí (segment a klapka). Šířka jednoho jezového pole bezpečnostního přelivu je 15 m. Hradící výška segmentu se vztyčenou klakou je 4,3 m. Na pilířích jezových polí jsou strojovny s mechanismem ovládání zdvihu segmentu a klapek, (převodovky, hřídele transmise, elektromotory aj.).

Regulace odtoku objemu vody přes jezové pole je zajištěna pomocí segmentu a klapky. Zdvih segmentu a klapky bezpečnostního přelivu je realizován dvěma Gallovými řetězy. Pohyb řetězů je zajištěn dvěma samostatnými převodovkami ČKD. Na pravé straně segmentu je převodovka s dvouhřídelovým patkovým asynchronním elektromotorem. Přední volný konec hřídele elektromotoru je přes spojku napřímo spojen s hnací hřídelí převodovky. Zadní volný konec hřídele elektromotoru je přes spojku a úhlové převodovky spojen s hřídelí transmise, která přenáší synchronní otáčivý pohyb na levou stranu jezového pole – segmentu. Zde přes dvě úhlové převodovky a spojku je transmise spojena s hnací hřídelí převodovky

V případě poškození hřídele transmise na pravé straně segmentu, tj. hnané straně, dojde k zastavení chodu převodovky ČKD na levé straně pilíře. Při běhu převodovky na pravé straně může dojít k poškození hnané převodovky, nebo jezové klapky a vyřazení segmentu bezpečnostního přelivu z provozu.

Z důvodu omezení mechanických poruch transmise byl navržen nový způsob ovládání segmentu jezového pole pomocí tzv. elektronické hřídele. Na levou i pravou převodovku ČKD prostředního (2) jezového pole, byly instalovány dva nové synchronní elektromotory od společnosti ABB, které jsou spouštěny pomocí měničů frekvence (MF).

Pro omezení vlivu skluzu asynchronních motorů byly instalovány nové typy synchronních reluktančních elektromotorů typu M3AL, které jsou řízeny pomocí MF ACS880. Otáčky obou motorů jsou synchronní, zdvih obou řetězů je rovnoměrný a následně i pohyb segmentu je vodorovný a nedochází tak ke křížení segmentu z důvodu rozdílu otáček.

Synchronní reluktanční motory jsou zajímavou novinkou v moderních elektrických pohonech. Na první pohled není zřejmý žádný rozdíl od standardních asynchronních motorů, kostra statoru je stejná. Liší se především konstrukcí rotoru a vyznačují se proto zvýšenou spolehlivostí a prodlouženou životností. Nevznikají ztráty v rotorové kleci, takže mají vyšší účinnost. Mohou dosáhnout standardního výkonu a úrovně točivého momentu pro danou kostru jako u indukčního motoru, ale pouze v nízké třídě A oteplení (60 K). Tím se významně prodlužuje životnost izolace motoru, ložisek motorů a intervalů mazání.

Synchronní reluktanční motory pracují na principu rozdílné magnetické vodivosti ve dvou na sobě kolmých osách. Nemají ani vodivou kotvu nakrátko, jak je tomu u indukčních motorů, ani permanentní magnety, ani budicí vinutí. Magnetická reluktance je magnetický ekvivalent odporu v elektrických obvodech. Rotor má jednu osu s nejmenším možným magnetickým odporem a kolmou osu s velkou magnetickou reluktancí nebo dobrou magnetickou izolací. Točivý moment vzniká tím, že se rotor snaží srovnat směr magnetického pole s polem statoru. Synchronní reluktanční motor byl vynalezen již v roce 1923. Přesto však nebyl tento typ motoru v průmyslu příliš používán, a to zejména pro malou schopnost přímého spuštění. S rozvojem technologií v oblasti MF byla tato překážka odstraněna.

Pro plynulý a spolehlivý běh synchronních elektromotorů jsou na prostředním poli bezpečnostního přelivu VD Kadaň instalovány MF ACS880- 01-025A-3 v krytí IP55.

Použité MF typu ACS880 mají jedinečnou technologii principu řízení DTC (Direct Torque Control) a vyznačují se maximální přesností a dynamikou. Standardní software u MF byl doplněn o prvky důležité právě pro řízení synchronních reluktančních motorů. Velký důraz je kladen na optimalizaci tvorby točivého momentu prostřednictvím ovládání maximálního točivého momentu na ampér (MTPA). To zajišťuje, že proud je v každém provozním bodě udržován na minimu. MF také zajišťuje komplexní ochranu příslušného motoru a žádná další zařízení nejsou potřeba. Pro vyšší spolehlivost jsou zde motory vybaveny teplotními senzory ve vinutí. Vyhodnocení provádí příslušný MF, který v případě potřeby daný motor odpojí a aktivuje poruchovou hlášku. Pojistkové odpínače zajišťují ochranu kabelu a MF pouze proti zkratu; proti přetížení chrání tyto prvky samotný MF. Měniče jsou vybaveny funkcí Safe Torque OFF, která je v souladu s požadavky norem na nouzové vypnutí soustrojí. Elektromagnetické brzdy jsou ovládány automaticky z MF. O činnosti elektromagnet. brzd není zavedena do MF žádná zpětná hláška, MF vyhodnocuje funkci sám na základě momentu / otáček a je schopen rozpoznat i poruchu.

Regulaci hladiny v zádržném prostoru na vodním díle řídí automatika hladinové regulace, která dává pokyn pro chod klapky. Díky MF je rozběh a zastavení elektromotoru plynulý, bez proudových nárazů a jiných nežádoucích jevů.

Regulace chodu segmentu a jezové klapky pomocí tzv. elektronické hřídele na VD Kadaň je z technického hlediska jedinečné řešení v rámci státního podniku Povodí Ohře.

Ing. Naděžda Pavelková, Ph.D., ABB s. r. o,
Pavel Vondra, vedoucí čerpací stanice Stranná