Цифровой регулятор возбуждения синхронного двигателя. Импортозамещение
Научно-производственное объединение «Цифровые регуляторы» –
отечественное предприятие, более 20 лет ведущее разработки
в области низковольтного пускорегулирующего оборудования.
В современной реальности ситуация на рынке производителей электронной продукции быстро меняется. В России после ухода нескольких иностранных корпораций, которые занимали его весомую долю, остро встал вопрос сервисного обслуживания, ремонта и восполнения комплектующих, необходимых для работы оборудования. Сегодня мы хотели бы обсудить ситуацию с системами возбуждения синхронных двигателей (СД). ООО НПО «Цифровые регуляторы» имеет огромный опыт в разработке и производстве данного оборудования. Когда в разговоре с постоянными клиентами заходит речь о цифровом регуляторе возбуждения (РВ), то они по умолчанию подразумевают систему возбуждения производства нашей компании, поскольку в устройствах под торговой маркой «АНИКРОН» применяются собственные разработки и решения, которые задают высокую планку для остальных производителей. И это, безусловно, подтверждает наше лидерство в данной области и дает право поразмышлять над сложившейся ситуацией.
Синхронные двигатели большой мощности экономически выгодно использовать в качестве приводов различных установок и устройств с постоянной (стабильной) нагрузкой, где не требуются частые пуски и необходима постоянная частота вращения. Также с помощью СД возможно регулировать реактивную мощность. Это позволяет поддерживать напряжение на удаленных узлах электросети, что весьма актуально для энергетической системы России с характерными для нее протяженными линиями электропередач. Вышеперечисленные обстоятельства обусловили довольно широкое распространение СД в отечественной промышленности в качестве приводов для насосов, нагнетателей, компенсаторов, мельниц, компенсирующих устройств и т. д.
У российских проектировщиков ранее применялось несколько подходов к выбору СД: для вновь разрабатываемых проектов либо для модернизации существующих производств.
Проектировщики могли предложить двигатель иностранного производителя. Как правило, он уже был снабжен системой возбуждения того же производителя. Можно привести в пример компанию Siemens, которая зачастую поставляла СД только со своими РВ.
Заказчик, в свою очередь, имея положительный опыт эксплуатации и обслуживания отечественных систем возбуждения, мог высказать пожелание о снабжении СД регулятором отечественного производства. Из собственного опыта можем привести в пример итальянскую компанию Nidec. Синхронные двигатели ее производства широко применяются в качестве приводов магистральных насосов нефтепроводных систем, и заказчик настоял на применении систем возбуждения производства ООО НПО «Цифровые регуляторы».
Рис.1. Двигатель производства Nidec во время монтажа
Сейчас также эксплуатируются различные варианты систем возбуждения, разработанных российскими компаниями, но с применением готовых блочных решений иностранных производителей. То есть с большим процентным содержанием в составе конечного устройства сложных комплектующих, таких как промышленные контроллеры, различные преобразователи, системы сбора и отображения информации, измерительные системы. Подобные устройства и системы нуждаются в квалифицированном сервисном обслуживании и специализированном программном обеспечении. В результате получаем продукт отечественного производителя, работа которого полностью зависит от поставляемых комплектующих.
В сложившейся ситуации, из-за ухода ряда международных компаний с российского рынка, иностранные системы возбуждения оказались без технической поддержки и с тающим на глазах фондом ЗИП. Попытки решить вопрос поставки запасных частей предпринимаются, однако процесс этот может занять длительное время. Что же касается технической поддержки, то здесь все предельно ясно – она полностью отсутствует. Для эксплуатирующей стороны поддержание оборудования в работоспособном состоянии оборачивается дополнительными финансовыми расходами и риском остановки производственных линий на длительный срок.
ООО НПО «Цифровые регуляторы» обладает многолетним опытом разработки и эксплуатации систем возбуждения для СД иностранного производства. Для двигателей итальянской компании Nidec был разработан и поставлен в производство цифровой регулятор с бесщеточной системой возбуждения АНИКРОН Б-04. На данный момент поставленных и работающих регуляторов с двигателями этого производителя более ста. Для двигателей компании Siemens также создано и эксплуатируется несколько изделий серии АНИКРОН. Стоит упомянуть о нескольких разработках РВ для несерийных двигателей и опытных производств. Работа в этом направлении выполнялась в сотрудничестве с производителем в соответствии с его техническими требованиями и с учетом пожеланий эксплуатирующей стороны.
Принцип работы СД как отечественного, так и иностранного производства остается одним и тем же, однако у импортных двигателей есть своя специфика. Отличием могут быть дополнительные сигналы от измерительных датчиков, которые задействованы в алгоритмах регулирования. Отличаются сами алгоритмы пуска, остановки подачи и снятия возбуждения и условия срабатывания защит. Различны диапазоны рабочих токов возбуждения и значения токов форсировки. Импортные двигатели, как правило, проектируются под более узкий диапазон условий эксплуатации, без запаса прочности, который закладывается в отечественное оборудование, что тоже накладывает определенные условия на работу систем возбуждения.
Доработка РВ АНИКРОН для совместного функционирования с иностранным двигателем, если таковая вообще потребуется, будет минимальной. Все штатные блоки регулятора остаются прежними. Блоки управления регулятора позволяют провести его сопряжение с любой информационно-измерительной системой по таким востребованным в настоящее время промышленным протоколам, как ModBus и ProfiBus. Обеспечить прием и выдачу дискретных сигналов как потенциальных, так и типа «сухой контакт», прием и выдачу аналоговых сигналов по стандарту токовой петли. Протокол Modbus c интерфейсом RS-485 входит в базовую комплектацию регулятора. Большое количество доступных для изменения параметров позволяет настроить коэффициенты регулирования, установить необходимые уставки защит, рабочие и форсировочные значения тока возбуждения. Платы расширения также обеспечивают сопряжение регулятора с системами частотно-регулируемых приводов с передачей задания на установку тока возбуждения по каналам связи с использованием: широтно-импульсной модуляции, частотной модуляции, токовой петли, ModBus RTU, ModBus TCP/IP, Ethernet TCP/IP. Таким образом, регуляторы АНИКРОН с модулями расширения без каких-либо доработок подойдут под любые индивидуальные потребности заказчика.
Однако существуют и двигатели нестандартного исполнения. В случае с моделями компании Siemens возникла необходимость принять, обработать и включить в алгоритм работы регулятора сигнал от оптического датчика, который физически контролировал вращение ротора. Отдел проектирования предприятия в кратчайшие сроки сконструировал и испытал необходимую плату сопряжения, и алгоритм работы регулятора был изменен в соответствии с требованиями заказчика. С двигателями компании Nidec ситуация выглядела следующим образом. Заявленный в техническом задании диапазон тока возбуждения выходил за рамки возможностей существовавших на тот момент (2014 г.) силовых модулей, используемых в регуляторах. Были разработаны, испытаны и поставлены в серийное производство новые усилители тока с расширенным диапазоном выходной мощности. В дальнейшем на основе нового блока компания разработала и внедрила серию из нескольких усилителей мощности с перекрывающим друг друга диапазоном выходного тока. Такая концепция удовлетворила требования практически всех производителей двигателей с бесщеточной системой возбуждения.
Существуют и примеры, когда регулятор проектируется и изготавливается в единственном экземпляре для нестандартного двигателя. Несколько таких моделей используется на экспериментальных установках Центрального института авиационного моторостроения имени П.И. Баранова. Уникальность двигателя со стороны системы возбуждения заключается в том, что бесщеточное возбудительное устройство конструктивно представляет собой вращающийся трансформатор и возбуждение подается в виде переменного напряжения. Для этих двигателей была изменена силовая часть регулятора и возбуждение подавалось в виде переменного напряжения с необходимыми параметрами и диапазоном. Регулятор был успешно налажен и запущен в эксплуатацию.
Стоит подробнее рассказать об особенностях и решениях, применяемых в РВ иностранного производства. Подход к разработке конструкции такого регулятора принципиально отличается. Резервирование каналов управления и силовой части РВ не закладывается в разработку при проектировании возбудителей. Регулятор возбуждения, как правило, собирается из отдельных функциональных частей, каждая часть – законченное устройство какого-либо производителя. Это могут быть силовые модули, промышленные контроллеры, измерительные блоки, устройства человеко-машинного интерфейса, устройства регистрации и архивации данных. Части связываются посредством различных промышленных протоколов, и в устройство закладываются необходимые алгоритмы работы и регулирования. С технической стороны данная конструкция выглядит довольно неуклюже, топорно, к тому же каждый блок в отдельности требует специальных знаний и специализированного программного обеспечения. В настоящее время все это остается без технической поддержки и сервисного обслуживания со стороны производителя. Также при проектировании РВ и разработке алгоритмов регулирования иностранный производитель не учитывает специфику российской энергетической системы с ее рассредоточенными на большие расстояния генерирующими мощностями и протяженными линиями электропередач. Синхронный двигатель, работающий в российской энергосистеме, должен быть устойчив к возможным провалам напряжения, должны быть учтены возможные режимы самозапуска, расширены эксплуатационные характеристики. Российская энергетика столкнулась с этими вопросами в самом начале своего существования и намного опередила европейцев в теоретическом и практическом плане. Но этот вопрос требует отдельного исследования и не рассматривается в рамках нашей статьи.
При разработке регуляторов АНИКРОН учитываются особенности и специфика производства, которые определяют режим работы СД. К примеру, алгоритмы работы регулятора, работающего совместно с двигателем с резко переменной или ударной нагрузкой, существенно отличаются от функционирования регулятора с плавной нагрузкой. Учитываются особенности работы РВ с двигателями с явнополюсным и неявнополюсным ротором. В отличие от иностранных систем возбуждения в регуляторах АНИКРОН отработаны и применяются алгоритмы экстренного форсирования при глубоких просадках напряжения, алгоритмы самозапуска. Они повышают устойчивость работы СД и являются элементами повышения надежности энергетической системы в целом.
В настоящее время на рынке ощущается дефицит в области электронных комплектующих. Но ввиду того, что при производстве регуляторов АНИКРОН применяются исключительно собственные разработки, мы можем оперативно перестраиваться под имеющиеся на рынке детали и компоненты, что позволяет избежать сколько-нибудь существенных трудностей в производстве. Все вопросы решаются в текущем порядке, ни производство, ни сервисное обслуживание систем возбуждения АНИКРОН не остановилось ни на минуту и выполняется в полном объеме.
Приведем несколько примеров замены иностранного РВ возбудителем АНИКРОН. Синхронный двигатель производства американской компании Dresser-Rand установлен на компрессорной установке в одном из подразделений компании «Лукойл». В 2022 г. эксплуатирующая сторона приняла решение о замене РВ на отечественный. Специалисты ООО НПО «Цифровые регуляторы» провели анализ представленной технической документации и заключили, что новейшая модель цифрового регулятора АНИКРОН БМ-08 перекрывает по всем параметрам возможности американского возбудителя. Доработка коснулась только конструкции самого шкафа – из-за особенностей расположения оборудования в электроустановке регулятор пришлось выполнить в варианте с односторонним обслуживанием. В обозначенные договором сроки изделие было изготовлено и запущено в работу специалистами отдела эксплуатации.
Рис.2. Регулятор АНИКРОН рядом с выведенной из эксплуатации системой возбуждения Unitrol
И совсем свежий пример текущего года. На современной линии по производству бумаги одного из целлюлозно-бумажных комбинатов в качестве электропривода на установке рафинера используется СД марки AMS 800SG производства европейской компании ABB. Система возбуждения этого двигателя была построена на базе регулятора напряжения UNITROL (ABB) и промышленного контроллера производства компании Mitsubishi. Производитель бумаги оказался в той ситуации, которую мы описывали выше. Даже если предприятию удастся решить вопрос с пополнением запаса комплектующих, что сделать в настоящее время весьма непросто и недешево, то отсутствие технической поддержки сделает все эти усилия бесполезными. К тому же аварийная остановка линии, работающей в непрерывном режиме, на неопределенный срок может обернуться серьезными убытками. Исходя из вышесказанного, руководство комбината приняло решение заменить систему возбуждения оборудованием отечественного производства.
По итогам проведенного обследования была отмечена следующая специфика существующей системы: работа двигателя в режиме резко переменной нагрузки, оптический датчик скорости ротора, выдача информации о скорости ротора в АСУТП установки и одностороннее исполнение шкафа. Специалистами ООО НПО «Цифровые регуляторы» в короткие сроки (42 дня) была изготовлена система возбуждения на базе существующего регулятора АНИКРОН ТМ-08, учитывающая все особенности установки. Заменить систему возбуждения, не нарушая режим работы линии, возможно было только в 36-часовом окне, установленном для проведения ежегодного регламентного обслуживания. Благодаря предварительной подготовке к процессу и слаженной работе специалистов отдела эксплуатации замена была произведена в указанный срок.
Отдельно стоит отметить работу отдела эксплуатации. Поскольку мы понимаем, насколько важна техническая поддержка устройств, на нашем предприятии этому уделяется особое внимание. Благодаря оперативной и отлаженной работе отдела в кратчайшие сроки решаются вопросы текущей эксплуатации, осуществляется консультация заказчиков, проводится сервисное обслуживание и модернизация оборудования. Реализуется поддержка оборудования, запущенного в эксплуатацию более 20 лет назад. По договоренности с эксплуатирующей стороной проводится модернизация устаревших моделей РВ, что позволяет обновить оборудование при меньших затратах. На производственной базе организованы обучающие курсы для персонала эксплуатирующих организаций. Техническому персоналу, непосредственно отвечающему за безаварийную работу оборудования технологических установок, своевременно оказывается техническая поддержка.
Системный подход и пристальное внимание ко всем процессам жизненного цикла оборудования позволяют удерживать показатели надежности на высоком уровне. Отчетные данные отдела эксплуатации показывают, что в 2021 г. произошло четыре отказа из 2800 эксплуатирующихся на данный момент РВ. Простой расчет показывает, что наработка на отказ составила 3 000 000 ч. А время восстановления оборудования составило не более трех суток.
ООО НПО «Цифровые регуляторы», имея уникальный опыт разработки и эксплуатации систем возбуждения с двигателями от разных производителей, накопленный за два десятка лет, собственную производственную площадку с высококвалифицированными специалистами и опытными проектировщиками, может решить проблему замены импортного оборудования в области систем возбуждения для синхронных двигателей и генераторов.
Палицкий Д.А., инженер-электрик 1 категории, отдел проектирования