Budič synchronního motoru jako multifunkční zařízení

Článek pojednává o novém budiči firmy PEG již sedmé generace, jehož funkce a určení opouštějí dogma přísně vyhraněného použití pouze k buzení synchronních motorů a generátorů. Současná mikroprocesorová technika a nová regulační platforma pohonářských aplikací firmy PEG umožňují k existujícím funkcím budičů implementovat funkce, kterými firma rozšiřuje použití tohoto zařízení a současně nahrazuje mnoho komponent regulačních systémů synchronních strojů, jako jsou doplňkové ochrany, technologické automaty, převodníky elektrických veličin, vizualizační a záznamová media a další.

Firma PEG spol. s r. o. oslavila v květnu 2017 už 27. výročí od svého založení. V současné době její produkty zasahují do tří elektrotechnických oborů – DC a AC zálohových systémů, elektromagnetické kompatibility a kompenzace jalového výkonu a elektrických pohonů. Právě do posledního jmenovaného oboru spadají budiče synchronních strojů – motorů, generátorů a DC strojů, které byly jedním z prvních produktů, jež firma vyrobila a uvedla do provozu. Některé z prvních vyrobených kusů pracují dodnes, např. buzení DC těžního motoru v Bani Nováky s výrobním číslem 12.

Podmínkou úspěchu zařízení je nezaspat vývoj, a proto v současné době PEG uvedla na trh již sedmou generaci budičů synchronních strojů. Tato generace buzení pod názvem PEG xxx/ /µP7 (xxx v typu nahrazuje jmenovitý proud budiče) zachovává standardní funkce budičů předchozích generací, avšak navíc je rozšiřuje směrem k univerzálnosti použití a převzetí funkcí jiných periferií a zařízení, které jsou použity v systému ovládání a regulace pohonů se synchronními stroji. Nové funkce značně přesahují funkce budiče jako zdroje budicího proudu.

Obr. 1. Blok budiče PEG xxx/μP7 silové a regulační části

Tato vize není ničím ojedinělým. Mnoho výrobců elektrotechnických zařízení pochopilo, že přídavné chytré funkce zvýší užitnou hodnotu zařízení. Mobilní telefony již dlouhou dobu nejsou přístroje pouze k telefonování, ale, paradoxně, funkce telefonu je podružnou funkcí, o které se v technických údajích současných „chytrých“ telefonů uživatel vlastně ani nedočte. Ale nezacházejme do jiných oborů. Například elektrické ochrany motorů, transformátorů, vedení a jiných elektrických strojů a zařízení v současnosti již neplní pouze funkce ochran – i když ty jsou velmi komfortní a sofistikované – ale mají mnoho dalších funkcí – logické, monitorovací, záznamové, archivační, vizualizační aj. Stejnou cestou se vydal vývoj budičů ve firmě PEG. Po dvouleté práci na vývoji hardwaru nové regulační platformy a nového softwaru vznikl nový budič, který jistě najde své místo na trhu pohonářských aplikací. Vzhledem k tomu, že byl plně vyvinut ve firmě PEG, je funkčně zcela otevřený a může být přizpůsoben na míru každému použití a implementovat všechny požadavky projektantů a provozovatelů.

Budič PEG xxx/μP7

Budič kromě svých nadstavbových funkcí zajišťuje i všechny funkce klasické. Vzhledem k vyspělejšímu hardwaru regulační desky a špičkovému řídicímu procesoru vyniká regulačními vlastnostmi předně při nízkých zatíženích a chodu naprázdno, kdy statorem synchronního stroje protékají velmi malé proudy, na hranici rozlišení použitých čidel.

Základní regulační funkce

– Regulace na zadaný budicí proud:
   – základní regulační smyčka a základní režim Ib = konst., vyniká stabilitou a díky konstrukci a navrženému hardwaru i rychlostí.

– Regulace na zadaný účiník motoru:
  – nadřazená regulační smyčka, která udržuje konstantní cos φ motoru nezávisle na zatížení.

– Regulace na konstantní jalový výkon:
  – nadřazená regulační smyčka, která udržuje konstantní dodávku jalové energie do napájecí sítě motoru.

– Regulace na zadaný vzdálený účiník:
   – regulační smyčka, která udržuje konstantní cos φ ve vzdáleném napájecím uzlu (fakturačním místě); podmínkou je schopnost motoru měnit v tomto místě účiník – motor je zapojen tak, že uzlem, ve kterém se reguluje, protéká činná i jalová energie synchronního motoru. Je možné přepínat mezi několika regulačními místy.

– Regulace na konstantní dodávku jalové energie ve vzdáleném měřicím bodě sítě:
   – regulační smyčka, která udržuje konstantní dodávku či odběr jalové energie v daném uzlu energetické sítě.

– Regulační meze a limity:
    – mez rotorového proudu – I_bmin a I_bmax,
  – mez statorového proudu – při dosažení a překročení jmenovité hodnoty proudu statoru dojde k odbuzování stroje a snižování jalové složky statorového proudu, a tím i zdánlivého fázového proudu, a to až do hodnoty cos φ = 1, kdy je jalová složka nulová a zdánlivý proud je roven činnému; jestliže přetížení trvá i nadále, budič dává regulaci poháněného stroje signál ke snižování činného výkonu na hřídeli; tato funkce, oproti budičům šesté generace, vřadila do procesu regulace i poháněný stroj,
    – meze cos φ – cos φ_min a cos φ_max,
    – mez podbuzení – stroj nikdy nepracuje v podbuzeném stavu, tzn. ve stavu v indukční oblasti, kdy by mohlo dojít k výpadku stroje ze synchronismu; tato mez dokáže s velkou dynamikou zajistit přibuzení při náhlé změně výkonu nebo při napěťovém poklesu.

Konstrukce silové části

Konstrukce silové části se přizpůsobuje konstrukci synchronního motoru, konkrétně konstrukci budicího obvodu rotoru synchronního stroje.

– Přenos budicího proudu přes kroužky

Budicí proudy se pohybují v řádech desítek až stovek ampérů. Silová část je konstrukčně tvořena třífázovým tyristorovým můstkovým usměrňovačem, konstruovaným na bázi bezpotenciálových modulů (do I_bn = 800 A) nebo na bázi pastilkových tyristorů. Tyristorové prvky jsou umístěny na hliníkových chladičích tvaru písmene Q (bezpotenciálové moduly) nebo na hliníkových chladičích konstrukce tvaru písmene M (pastilkové tyristory). Tyristorový plně řízený můstkový usměrňovač je napájen z výkonového transformátoru, který přizpůsobí napětí můstkového usměrňovače tak, aby mohl pracovat při ideálním pracovním účiníku – síť není zatěžována jalovou energií a je zajištěna optimální regulační provozní oblast pro řídicí úhel zapalovacích impulzů. Silový napájecí transformátor musí mít dostatečnou napěťovou rezervu pro zajištění rychlé regulace proudu velké indukčnosti (indukčnost budicího vinutí synchronního stroje se pohybuje v řádu desetin až jednotek henry).

Rotor synchronního motoru je chráněn polovodičovou silovou přepěťovou ochranou, která zajišťuje bezkontaktní zkratování rotoru při rozběhu a přechodných dějích, kdy se do rotoru synchronního stroje indukuje vysoké napětí.

– Napájení pomocného budiče – nesené ventily – přenos budicího výkonu do rotoru synchronního motoru přes magnetické pole

Budicí proudy se pohybují v řádu jednotek, maximálně desítek ampérů. Silová část budiče je tvořena jednofázovým, resp. třífázovým můstkovým usměrňovačem, který je umístěn na hliníkovém chladiči s přirozeným chlazením. Můstek je napájen z transformátoru malého výkonu, který přizpůsobuje napětí můstku pro optimální fázové řízení.

– Napájení budičů s rotačními transformátory s axiální vzduchovou mezerou – přenos budicího výkonu do rotoru synchronního motoru přes magnetické pole

Rotační transformátor je napájen AC proudem a řízen střídavým regulátorem napětí, který je tvořen antiparalelně zapojenými tyristory. Velikost budicího AC proudu se pohybuje v řádu desítek až stovek ampérů. Tato silová část je napájena z vloženého vinutí ve statoru synchronního stroje nebo je možné ji napájet ze sítě 230 V, 50 Hz. Pro galvanické oddělení budicího obvodu je vhodné použít oddělovací transformátor.

Konstrukce regulační části

Budiče PEG řídí nově vyvinutý řídicí systém PEG ReDex. Ten je založen na nejnovější řadě signálových procesorů ADSP-CM408 z produkce firmy Analog Devices. Uvedené procesory jsou vybaveny jádrem ARM Cortex M4, umožňujícím díky standardním softwarovým knihovnám zrychlený vývoj a modifikaci uživatelských aplikací.

Konstrukčně je řídicí systém pojat jako kompaktní modulární sendvičová sestava. Jádro systému použité ve všech aplikacích tvoří dvě karty: procesorová karta a univerzální karta měření a přizpůsobení. Podle koncepce měniče, počtu a typu použitých výkonových polovodičových prvků (tranzistory/tyristory) se sestava doplňuje aplikačně specifickým modulem budičů výkonových prvků.

Pro možnost zajistit skutečnou multifunkčnost budiče je kromě požadavků na snadnou a rychlou implementaci uživatelských funkcí nutné zaručit rozsáhlé možnosti propojení řídicího systému s okolím. Systém ReDex je v tomto směru bohatě vybaven, standardně má následující periferie:
– 32 digitálních vstupů,
– 32 digitálních výstupů,
– 16 analogových vstupů,
– 4 PT100/PT1000,
– 4 NTC/PTC,
– 4 analogové výstupy ±10 V, ±5 V,
– 4 analogové výstupy 0/4 až 20 mA,
– 1 HART,
– 1 ETH,
– 1 RS-485,
– 1 RS-232,
– 1 CAN,
– 1 IRC,
– 1 rezolver,
– 1 PWM FAN output.

Procesorová karta je vybavena systémem vzdálené správy, který umožňuje nepřetržitý monitoring zařízení v provozu. Při poruše může být okamžitě upozorněn dispečink firmy PEG, který pomocí podpůrných softwarových nástrojů analyzuje přenesené záznamy dat z okamžiku poruchy, a urychlí tak cílené odstranění poruchy. Pomocí vzdálené správy je také možné kdykoliv aktualizovat kompletní firmware budiče. Tak lze operativně reagovat na požadavky úpravy chování budiče, popř. zlepšovat uživatelský komfort zavedením nových funkcí.

Pro uvádění do provozu a diagnostiku byl v prostředí Java vyvinut vlastní ladicí a obslužný software, umožňující on-line monitoring, správu grafů, vzdálené ovládání, diagnostiku poruch, místní i vzdálenou aktualizaci firmwaru budičů.

Obr. 2. Úvodní obrazovka dotykového panelu statického budiče PEG xxx/μP7

Vizualizace provozních a poruchových stavů

K místní vizualizaci provozních a poruchových stavů a ke komunikaci s budičem se používá, stejně jako u předchozí generace, barevný dotykový displej v základní velikosti 7" (výrobce Eaton), typ XV102. Tento typ displeje se na rozdíl od displejů jiných typů, které nezvládaly těžké podmínky průmyslového provozu, osvědčil z hlediska spolehlivosti a životnosti.

Vizualizační panel má pět základních obrazovek – viz obr. 2.

Obrazovka „Hodnoty“
Zde jsou zobrazovány tyto aktuální provozní hodnoty stroje:

U motoru, I motoru, I_b, činný výkon P, jalový výkon Q, zdánlivý výkon S, cos φ, časovač okamžiku nabuzení, zvolený pracovní režim, stav motoru (rozběh, chod, stop, motor připraven, odstaveno poruchou).

Dále jsou zde zobrazeny tyto provozní dvoupolohové hodnoty: pracovní režim, stav hlavního vypínače motoru, dosažení limitů regulace a další uživatelsky zvolené hodnoty.

Obrazovka „Parametry“
Zde jsou vizualizovány a je možné měnit tyto nastavené limitní hodnoty:

I_bmax, I_bmin, cos φ_max, cos φ_min, počáteční nastavení žádaných hodnot cos φ, Ib, režim, způsob a doba nabuzení a další uživatelsky nastavené hodnoty.

Hodnoty nastavené při uvádění budiče do provozu a po zkouškách s pohonem lze měnit, jsou však chráněny dvouúrovňovým heslem (servis, vývoj).

Obrazovka „Grafy“
Zde je možné v zobrazení časového záznamu v grafické podobě sledovat průběhy měřených veličin stroje a dalších hodnot, tzn. I_b, I_m, U_m, P, Q, S, cos φ, a další uživatelsky navolené veličiny. Časový záznam má flexibilní časové měřítko, tzn. že jej lze „zoomovat“. Časový záznam je možné sledovat asi jeden rok zpětně. Velmi přínosná je tato funkce při zjišťování příčin výpadků stroje a poruch.

Obrazovka „Záznam poruch“

Zde je k dispozici kompletní poruchová logika, včetně historie poruch s časovými značkami. Jde o vnější poruchy a výstrahy (asynchronní chod, přetížení, dosažení limitu, další vnější poruchy ze zavedené vnější poruchové logiky) a také komfortní vnitřní diagnostiku regulátoru, měniče a napájení. Díky této diagnostice je možné analyzovat zdroj případné poruchy a zajistit okamžitý servis.

Obrazovka „Regulace“
Na této obrazovce je možné měnit žádané hodnoty regulace, budicí proud I_b, cos φ motoru, cos φ nadřazené soustavy (lze přepínat více míst regulace), přepínat provozní režimy a místa regulace. Žádané analogové hodnoty je možné nastavovat jednak z číselného pole (klávesnice dotykového displeje) a jednak dotykovým tahovým potenciometrem. Možný je také způsob zadáváním dálkovými povely „více“ a „méně“. Tato volba je k dispozici pro retrofitové aplikace, kde je nahrazován budič a ovládání zůstává zachováno.

Kromě možnosti zadávat žádané hodnoty jsou zde zobrazovány skutečné hodnoty zadávaných veličin v daných místech regulace. Z této obrazovky lze zadávat i servisní funkce (po zadání hesla příslušné úrovně), jako je zkušební nabuzení do stojícího stroje atd.

Uživatelská obrazovka
Vzhledem k tomu, že PEG je výrobcem jak kompletního budiče, tak i komunikačního a vizualizačního softwaru dotykového panelu, je možné doplnit monitor uživatelskou obrazovkou, kde je zobrazováno např. funkční schéma technologie a pomocných pohonů nebo další informace, které se jinak zobrazují na motorovém nebo technologickém rozváděči.

Obsah informací zobrazených na uživatelské obrazovce je možné (a také vhodné) řešit již ve fázi projektu, v němž projektant určí, „co“ bude zobrazováno, a budič již bude dodán se zvolenými naprogramovanými funkcemi.

Vizualizační panel je běžně umístěn na předních dveřích budicí soupravy. Je však možné jej umístit i mimo budič, do vzdálenosti asi 15 m postačí propojovací datový kabel sběrnice RS-232, pro větší vzdálenosti, maximálně do 1 000 m, je vizualizační displej připojen prostřednictvím sběrnice RS-422. Výhodné je umístění displeje ve velínu technologie nebo v místě ovládání synchronního motoru.

Budič s okolními periferiemi komunikuje po datové sběrnici; standard je RS-485 a Modbus, možné jsou i jiné komunikační protokoly, např. Profibus, CAN a další.

Již samozřejmostí je vzdálený přístup k parametrům buzení. Ten je využíván k vzdálenému ovládání a sledování provozu technologie, ale také ke vzdálenému dohledu a servisu. Díky zmíněnému přístupu je možné okamžitě identifikovat zdroj poruchy, a to nejenom budiče, ale v celé technologii. Vzdáleně je možné také realizovat změny softwaru na aktualizované verze či provádět uživatelské změny (např. při změnách konfigurace ovládání technologie).

Multifunkčnost nového budiče PEG xxx/µP7 spočívá v možnosti spolupracovat s řízením poháněného zařízení (kompresoru, dmychadla atp.). Tato komunikace je možná na několika úrovních:
– řízení rozběhu soustrojí a řízená a definovaná synchronizace na základě průběhů statorového a rotorového proudu,
– převodník analogových veličin motoru – svorkové napětí motoru, proud motoru, výkony, účiník, provozní stavy; není třeba znovu měřit a převádět tyto signály pro účely řízení zátěžného stroje, lze je jednoduše vyčíst pro komunikační sběrnici,
– sledování výkonových parametrů zátěžného stroje, při překročení jmenovitého výkonu na hřídeli synchronního motoru dává budič povel k odlehčení, při překročení hranice minimálního výkonu dává budič výstrahu o možné poruše na zátěžném stroji (např. porucha spojky)
– sledování vibrací soustrojí a predikce možných poruch, úprava budicích hodnot v závislosti na vibracích,
– sledování, řízení a kontrola pomocných pohonů soustrojí (olejová čerpadla, vodní pumpy, ventilátory atp.).

Závěr

Právě zmiňované vlastnosti (a nejen ty) dělají z budiče PEGxxx/µP7 multifunkční zařízení, které je možné beze zbytku vřadit do mechatronického systému řízení pohonů se synchronními motory. Možnost vytvořit uživatelské řešení formou změny nastavení a programového vybavení otevírá nové možnosti pro využití v řízení speciálních pohonů, převážně kompresorů, dmychadel a jiných důležitých pracovních strojů. Nový hardware regulačních desek s velkou paměťovou kapacitou, rychlostí a variabilními možnostmi I/O poskytuje prostor pro další vývoj nových funkcí a zákaznických řešení.

---

Vyšlo v časopise Elektro č. 8-9/2017 na straně 32. 
Tištěná verze – objednejte si předplatné: pro ČR zde, pro SR zde.
Elektronická verze vyšlých časopisů zde.