CC BY
0УДК 621.313.33
О.А. Белов, Г.С. Мясников
Камчатский государственный технический университет, Петропавловск-Камчатский, 683003 e-mail: [email protected]
ПОВЫШЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ НАДЕЖНОСТИ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ ОБЩЕСУДОВЫХ СИСТЕМ
Эксплуатационная надежность судового оборудования является важным фактором поддержания эффективной эксплуатации и безопасного мореплавания судна. Общесудовые системы играют важную роль в функционировании главной энергетической установки, обеспечении жизнедеятельности экипажа и живучести судна. Независимо от назначения общесудовой системы и ее конструктивного исполнения, основным функциональным элементом в ее составе является электропривод исполнительного механизма. Надежная работа электроприводов общесудовых систем непосредственно влияет на эффективность их эксплуатации, обеспечение обитаемости, мореходных качеств судна и живучести. В процессе эксплуатации судовые асинхронные электроприводы подвергаются воздействию различных факторов, связанных как с окружающими условиями, так и с особенностями режимов работы. В результате эксплуатационные параметры электроприводов могут существенно превысить допустимые значения, что может привести к утрате работоспособности электропривода, а значит и работоспособности соответствующей общесудовой системы. Поэтому электрическая защита является важным фактором эффективной эксплуатации судовых электроприводов. В связи с этим одним из способов повышения надежности судовых асинхронных электроприводов является совершенствование их электрической защиты. Разработка и внедрение модульной термозащиты в систему управления асинхронного электропривода является важным направлением повышения эксплуатационной надежности электроприводов общесудовых систем.
Ключевые слова: электропривод, техническая эксплуатация, электрическая защита, тепловая защита, термозащита, эффективность, надежность, безопасность.
O.A. Belov, G.S. Myasnikov
Kamchatka State Technical University, Petropavlovsk-Kamchatsky, 683003 e-mail: [email protected]
INCREASING THE OPERATIONAL RELIABILITY OF ELECTRIC DRIVES OF GENERAL SHIP SYSTEMS
The operational reliability of ship equipment is an important factor in maintaining the efficient operation and safe navigation of a vessel. General ship systems play an important role in the functioning of the main power plant, ensuring the life support of the crew and the survivability of the vessel. Regardless of the purpose of the general ship system and its design, the main functional element in its composition is the electric drive of the actuator. Reliable operation of electric drives of general ship systems directly affects the efficiency of their operation, ensuring habitability, seaworthiness of the vessel and survivability. During operation, ship asynchronous electric drives are exposed to various factors associated with both environmental conditions and the features of the operating modes. As a result, the operating parameters of electric drives can significantly exceed the permissible values, which can lead to the loss of operability of the electric drive, and the operability of the corresponding general ship system. Therefore, electrical protection is an important factor in the efficient operation of ship electric drives. In this regard, one of the ways to improve the reliability of ship asynchronous electric drives is to improve their electrical protection. The development and implementation of modular thermal protection in the control system of an asynchronous electric drive is an important direction for increasing the operational reliability of electric drives of general ship systems.
Key words: electric drive, technical operation, electrical protection, thermal protection, thermal protection, efficiency, reliability, safety.
Основным функциональным элементом большинства общесудовых систем является асинхронный электропривод. В процессе эксплуатация на судовые асинхронные электроприводы оказывают неблагоприятное воздействие внешние и внутренние факторы, связанные с условиями эксплуатации и с особенностями режимов работы. В результате эксплуатационные параметры электроприводов могут существенно превысить допустимые значения, что может привести к утрате работоспособности электропривода, а значит и работоспособности соответствующей общесудовой системы. Поэтому электрическая защита является важным фактором эффективной эксплуатации электроприводов общесудовых систем.
Электрическая защита судовых асинхронных электроприводов строится в основном на базе тепловых реле, обладающих ограниченной функциональностью. Кроме того, точность срабатывания таких реле существенно зависит от температуры окружающей среды, которая в процессе эксплуатации судна может изменяться в больших пределах. Повышение функциональности достигается в основном за счет регулирования тепловых уставок этих реле. Однако по ряду причин [1, 2], в том числе вследствие определенной тепловой инерции чувствительных элементов, электрическая защита асинхронных двигателей с применением тепловых реле не обеспечивает достаточную надежность и безопасность эксплуатации [3, 4].
Вместе с тем расширение диапазона применения асинхронных электроприводов, усложнение режимов их работы, в том числе за счет внедрения частотного управления, делает задачу совершенствования электрической защиты достаточно актуальной [5, 6].
Одним из перспективных направлений решения этой задачи является разработка и внедрение модульной системы защиты асинхронных электроприводов на основе программируемого логического контроллера (ПЛК) и одноплатного ПК. Такая модульная система в первую очередь предназначена для электрической защиты асинхронных электроприводов всех типов от нештатных режимов работы. Кроме того, такая система обеспечивает установленные параметры эксплуатации, реализует функцию контроля и повышает надежность и эффективность судового электропривода в целом.
Модульная системы защиты конструктивно состоит из отдельных самостоятельных модулей, позволяющих оптимально подобрать необходимый уровень защиты асинхронного электропривода, в зависимости от ее функционала, типа, мощности, расположения и окружающих условий. Одним из вариантов такой системы защиты может быть модульная система, включающая в свой состав термозащиту.
Термозащита электропривода предназначена для предотвращения температурного разрушения обмоток асинхронного электродвигателя. Структурно модуль термозащиты состоит из универсального электронного контроллера и датчика температуры №ГС. В отличие от классического электротеплового реле, термозащита имеет ряд существенных преимуществ.
Основным отличием является процесс измерения и контроля фактической температуры узлов электропривода с высокой точностью при минимальной тепловой инерции, что позволяет заблаговременно и автоматически производить отключение электропривода до наступления необратимых разрушений. Кроме того, термозащита имеет больший срок службы и длительно сохраняет свою первоначальную функциональность, так как, в отличие от классической тепловой защиты, не имеет в конструкции биметаллических пластин и не подключается к силовым цепям электропривода.
Внедрение модуля термозащиты не требует больших трудозатрат и осуществляется без демонтажа силовой цепи электропривода. При этом финансовые затраты на внедрение модуля термозащиты незначительные и не зависят от типа и мощности электропривода.
Наряду с функцией защитного отключения, внедрение модуля термозащиты позволяет расширить функциональные возможности устройства и реализовать функции контроля и сигнализации. Эту возможность обеспечивает цифровая индикация фактической температуры на щите управления электропривода, что позволяет обслуживающему персоналу оперативно реагировать на внештатные ситуации в процессе эксплуатации как самого электропривода, так и общесудовых систем в целом.
В зависимости от типа электропривода и особенностей режимов его работы модуль термозащиты позволяет производить регулировку пороговых значений температуры в широких пределах. При этом обеспечивается оптимальная работа защиты на любых типах электроприводов, в том числе на многоскоростных электродвигателях с переменной нагрузкой. Также предусматривается возможность совместного использования модуля термозащиты с другими типами модульных защит.
Модуль термозащиты (МТЗ) предназначен для осуществления температурного контроля асинхронного электропривода в различных режимах работы. Схема подключения модуля термозащиты представлена на рисунке.
Схема асинхронного электропривода с модулем термозащиты
Основными элементами схемы МТЗ являются ПЛК и датчики температуры №ГС. В зависимости от типа электропривода и условий его эксплуатации, на электропривод может быть установлено от одного (на обмотку статора) до пяти (двух на подшипники и до трех на статор) датчика. В случае использования одного датчика на статоре электропривода температура защитного отключения (ТЗО) подбирается в соответствии с классом изоляции электродвигателя. В диапазоне от рабочей температуры (РТ) до ТЗО посредством контактного реле возможно подключение световой и звуковой сигнализации, предупреждающей о скором отключении электропривода по перегреву или включения дополнительного охлаждения, например, принудительного обдува.
При использовании нескольких датчиков, распределенно установленных на конструктивных элементах электропривода, появляется возможность не только контролировать температуру, но и диагностировать причину перегрева. На каждую группу датчиков предназначена отдельная цифровая индикация на щите управления электроприводом и реле для включения дополнительного оборудования, предотвращающего достижения ТЗО.
Используя предложенный подход, наряду с рассмотренными модулями защиты асинхронных электроприводов, возможна разработка дополнительных видов защит [7]. Например, для ряда электроприводов актуально внедрение следующих модулей защиты:
- модуль виброакустической защиты;
- модуль гидрозащиты;
- модуль контроля параметров питающей сети;
- модуль токовой защиты;
- модуль контроля оборотов электропривода;
- модуль защиты электропривода герметичного компрессора;
- модуль связи блоков защиты.
Эти модули защиты могут использоваться как самостоятельно, так и в совокупности с другими модульными системами.
При использовании модуля термозащиты совместно с модулем управления, модулем операторской панели, либо с сетевым модулем, существенно расширяется функционал устройства. В этом случае возможна реализация дополнительных функций:
- регистрация и мониторинг температурных данных;
- регистрация и мониторинг срабатывания защиты и включения дополнительного оборудования;
- дистанционный пуск и остановка электропривода;
- дистанционное изменение внутренних настроек модуля МТЗ;
- дистанционная установка запрета на пуск электропривода при определенных событиях;
- возможность подключения к системам SCADA.
Таким образом, совершенствование электрической защиты на основе программируемых логических контроллеров и современной элементной базы позволяет реализовать внедрение перспективных модульных систем, например модуля термозащиты, и позволяет решить задачу повышения эксплуатационной надежности электроприводов общесудовых систем.
Литература
1. Быстродействующая температурная защита асинхронного электродвигателя / В.В. Гурин, Е.В. Лавцевич, П.А. Равинский // Агропанорама. - 2008. - № 2. - С. 28-32.
2. Зимин Е.Н. Защита асинхронных двигателей до 500 В. - Изд. 2-е, переработ. и доп. - М. -Л.: Энергия, 1967. - 88 с. с черт. (Библиотека электромонтера. Вып. 209).
3. Гурин В.В., Равинский П.А. Направления совершенствования температурной защиты асинхронных электродвигателей // Агропанорама. - 2009. - № 1. - С. 28-32.
4. Кунин Р.З. Применение встроенной температурной защиты // Механизация и электрификация соц. сельского хозяйства. - 1980. - № 10. - С. 42-43.
5. Исследование тепловых процессов асинхронного электродвигателя в продолжительном режиме работы с вариативной нагрузкой / Г.С. Мясников, К.Р. Федосеев, Н.С. Рябовол, О.А. Белов // Техническая эксплуатация водного транспорта: проблемы и пути развития: Материалы Шестой нац. (всерос.) науч.-техн. конф. (9-10 ноября 2023 г.). - Петропавловск-Камчатский: КамчатГТУ, 2024. - С. 58-62.
6. Исследование тепловых процессов асинхронного электродвигателя в кратковременном режиме работы с номинальной нагрузкой / К.Р. Федосеев, Н.С. Рябовол, Г.С. Мясников, О.А. Белов // Техническая эксплуатация водного транспорта: проблемы и пути развития: Шестой нац. (всерос.) науч.-техн. конф. (9-10 ноября 2023 г.). - Петропавловск-Камчатский: КамчатГТУ, 2024. - С. 86-90.
7. Волобуев С.В., Юдаев И.В., Феклистов А.С. Повышение эффективности тепловых устройств защиты асинхронных двигателей // Вестник аграрной науки Дона. - 2018. - № 4 (44). -С. 95-98.
