CC BY
68
УДК 62-83:621/.69
С.В. Захаров, асп., инженер первой категории, (495) 608-84-67, vniiem@vniiem.ru ,
Ю.Т. Портной, канд. техн. наук, доц., гл. науч. сотр., (495) 608-84-67, vniiem@vniiem.ru , М.А. Смирнитский, нач. сектора, (495) 608-84-67, vniiem@vniiem.ru (Россия, Москва, ФГУП «НПП ВНИИЭМ»)
ОСНОВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ЧАСТОТНО-УПРАВЛЯЕМЫХ АСИНХРОННЫХ БЕЗДАТЧИКОВЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ ПЕРЕГРУЗОЧНЫХ МАШИН АЭС С РЕАКТОРОМ ВВЭР-1000
Рассматриваются основные особенности частотно-управляемых асинхронных бездатчиковых электроприводов перегрузочных машин АЭС с реактором ВВЭР-1000. Дается сравнительный анализ отечественных и зарубежных электроприводов.
Ключевые слова: частотно-управляемый асинхронный бездатчиковый электропривод, сравнительный анализ отечественных и зарубежных электроприводов.
Перегрузку ядерного топлива реакторов типа ВВЭР, технология которой достаточно полно изложена в [1], осуществляет робот-манипулятор, обычно называемый машиной перегрузочной (МП), с дистанционной системой управления (СУМП) [1], [2]. В состав СУМП и МП входит комплекс электрооборудования (КЭ), играющий важнейшую роль в обеспечении характеристик МП и ядерной безопасности перегрузки топлива.
На основе анализа технических требований, предъявляемых к машине перегрузочной, и современных требований ядерной безопасности ВНИИЭМ разработал комплекс электрооборудования перегрузочных машин АЭС с реакторами ВВЭР-1000 [3] содержащий комплектные частот-ноуправляемые асинхронные бездатчиковые электроприводы (КЭП) и распределительные устройства питания (РУП).
КЭ обеспечивает:
- с помощью КЭП управляемые перемещения основных механизмов
МП;
- с помощью РУП требуемое надежное электропитание различных потребителей МП (электромагниты внешних тормозных устройств и сейс-мотормозов, датчики, сигнальные устройства, управляющий вычислительный комплекс);
- интерфейс с оборудованием верхнего уровня управления МП (управляющим вычислительным комплексом).
К регулируемым электроприводам МП относятся приводы механизмов моста, тележки, подрыва, захвата тепловыделяющей сборки (ТВС), захвата кластера, поворота рабочей штанги; к нерегулируемым - приводы фиксатора, перемещения и поворота телештанги. Регулируемые электро-
приводы являются частотноуправляемыми и построены на базе специализированных преобразователей частоты с ШИМ на IGBT-модулях с микропроцессорным управлением и асинхронных короткозамкнутых электродвигателей серии АДА, обеспечивающих работу под гермооболочкой (ГО) реакторного отделения, с встроенными тормозами и вспомогательной обмоткой, предназначенной для контроля теплового состояния двигателей [4].
Распределительное устройство электропитания, выполненное двух-канальным с микропроцессорным управлением, обеспечивает бесперебойное электропитание и принцип двухканального построения СУМП.
Комплект КЭ состоит из 3 шкафов (1 шкаф КЭП, 2 шкафа РУП) размером 600х800х2100 и 9 электродвигателей серии АДА.
Указанные комплексы электрооборудования прошли успешные приемочные испытания (автономные и комплексные на АЭС в составе модернизированных перегрузочных машин) и внедрены на трех энергоблоках Калининской АЭС и трех энергоблоках Балаковской АЭС в соответствии с программой концерна «Росэнергоатом» по модернизации перегрузочных машин АЭС с реакторами ВВЭР-1000. В настоящее время аналогичные комплексы электрооборудования внедряются на вновь изготовленных перегрузочных машинах (изготовители МП: ОАО «ЭМК-Атоммаш» и ОАО «Уралмашзавод») на АЭС «Бушер» и двух энергоблоках АЭС «Куданкулам».
В связи с тем, что для АЭС «Куданкулам» температурные условия работы двигателей под ГО хуже, чем для других АЭС, для двигателей МП АЭС «Куданкулам» выполнена модернизация конструкции системы охлаждения. Оптимизация теплового режима двигателей обеспечила значительное снижение температур корпуса и обмотки статора и тем самым привела к расширению допустимых климатических зон, увеличению ресурса и надежности двигателей серии АДА [5].
В настоящее время у разработчиков МП проекта «АЭС-2006» (Нововоронежская АЭС-2, Ленинградская АЭС-2) намечается тенденция использовать для регулируемых электроприводов, вновь разрабатываемых перегрузочных машин серийные регулируемые электроприводы западных фирм («Siemens», «Sew-Eurodrive»), в связи с чем представляется актуальным провести сравнение специальных электроприводов разработки ВНИИЭМ с электроприводами западных фирм (ЭЗФ).
На основе системного анализа технических требований, предъявляемых к регулируемым электроприводам МП, в качестве основных срезов технических характеристик при сравнении электроприводов МП выбраны:
- средства и методы обеспечения требуемого диапазона регулируемой скорости;
- средства и методы обеспечения требуемых нагрузок в заданном диапазоне регулирования скорости;
- структура системы регулируемых электроприводов.
При этом критериями оценки выбраны:
- надежность;
- количество установленного оборудования и кабельных связей;
- затраты на обслуживание, простота и удобство эксплуатации;
- величина КИУМ (коэффициент использования установленной мощности реактора).
Ниже приведен сравнительный анализ электроприводов ВНИИЭМ
и ЭЗФ.
Обеспечение требуемого диапазона регулирования скорости
В соответствии с техническими требованиями к МП величина требуемого максимального диапазона регулирования скорости основных механизмов МП (мост, тележка, захват ТВС, захват кластера) - 1:50.
Электропривод, входящий в состав КЭ, обеспечивает этот диапазон в бездатчиковой (без датчика положения ротора) системе частотного управления асинхронным двигателем. При этом используется специальная микропроцессорная система управления с программным обеспечением, реализующем в системе «наблюдателя» определение скорости ротора на основе информации о выходном токе и выходном напряжении преобразователя, используя в режиме «on-line» реальные изменения параметров двигателя и, соответственно, его схемы замещения, что позволило без датчика положения ротора достичь минимального значения выходной частоты преобразователя, равного 1Гц, что существенно ниже минимальных значений выходной частоты серийных преобразователей западных фирм в без-датчиковой системе управления.
Для достижения выходной частоты преобразователя порядка 1Гц серийные ЭЗФ, в т.ч. «Siemens» и «Sew-Eurodrive», оснащены системой управления приводом с датчиком положения ротора (энкодером), дающим информацию о скорости двигателя, с соответствующей системой питания и преобразования информации, для чего необходимы дополнительные гермопроходки и кабельные связи. При выходе из строя датчика положения (энкодера) электропривод становится неработоспособным. Таким образом, надежность ЭЗФ в связи с наличием дополнительных элементов (а таковых шесть - по числу регулируемых приводов) будет ниже по сравнению с бездатчиковой системой электропривода.
Испытания и опыт эксплуатации электроприводов ВНИИЭМ в штатных режимах перегрузки топлива на трех энергоблоках Калининской АЭС и трех энергоблоках Балаковской АЭС показали, что необходимый диапазон регулирования скорости обеспечивается без шагания на минимальных скоростях, при этом вращение вала ротора равномерное, а точность позиционирования достигается порядка 1 мм. Обеспечение требуемых нагрузок в заданном диапазоне регулирования скорости.
Для перегрузочных машин АЭС ВНИИЭМ разработал серию специальных электродвигателей серии АДА, обеспечивающих работу и хра-
нение под гермооболочкой реакторного отделения (режим работы - перемежающийся S8 при перегрузке топлива, режим хранения - работа реактора на мощности и аварийные режимы) [4]. На основе заданных циклограмм работы был проведен тепловой расчет двигателей серии АДА при их питании от преобразователей частоты разработки ВНИИЭМ, на базе которого для всех регулируемых приводов МП определены параметры двигателей, которые обеспечивают температуру обмотки статора, не превышающую допустимого значения в наиболее тяжелых режимах работы в условиях самовентиляции двигателей. Испытания и опыт эксплуатации двигателей АДА в штатных режимах перегрузки топлива на Калининской и Балаков-ской АЭС показали, что температура обмотки статора двигателей АДА без принудительного охлаждения не превышает допустимой, что достигается в результате минимизации потерь в двигателях от высших гармоник выходного напряжения преобразователя и оптимизации режимов частотного управления.
Западные фирмы («Siemens», «Sew-Eurodrive») используют принудительное охлаждение двигателей вентиляторами - «наездниками» (каковых, по числу регулируемых приводов, шесть), включаемыми в режимах недопустимого нагрева двигателей, в частности, при больших нагрузках и низких скоростях. Для обеспечения питания вентиляторов необходимы дополнительные гермопроходки, а также коммутационная аппаратура. При выходе из строя вентилятора соответствующий электропривод неработоспособен на низких скоростях.
Таким образом, надежность ЭЗФ с принудительной вентиляцией двигателей, в частности, в режимах позиционирования будет ниже по сравнению с электроприводом с естественным охлаждением двигателей серии АДА.
Структура системы регулируемых электроприводов МП
Анализ технологии работы МП показал, что из шести механизмов, снабженных регулируемыми электроприводами, одновременно работают только два (например, мост и тележка, захват ТВС и захват кластера), и при выходе из строя любого из шести приводов процесс перегрузки топлива должен быть остановлен до восстановления его работоспособности.
Основываясь на этой особенности технологии, ВНИИЭМ разработал «групповую» структуру системы регулируемых электроприводов МП, в которой используются два преобразователя частоты, каждый из которых по команде верхнего уровня подключается к одному из двигателей, никогда не работающих одновременно. При этом программное обеспечение микропроцессорной системы управления преобразователя частоты обеспечивает автоматически адаптацию к параметрам схемы замещения подключаемого двигателя. Дополнительно следует отметить, что оба преобразователя идентичны и унифицированы, что позволяет их легко взаимозаменять, в том числе из ЗИПа.
При использовании ЭЗФ, основанных на стандартных общепромышленных решениях, где каждый регулируемый привод состоит из комплекта «преобразователь частоты - двигатель», число преобразователей должно быть равно шести.
Поэтому надежность системы «индивидуальных» приводов с шестью преобразователями частоты будет ниже надежности системы «группового» электропривода с двумя преобразователями частоты. Количественный анализ надежности «группового» и «индивидуального» подключения приводов МП дан в [6], где показано, что значения наработки на отказ КЭ при «групповом» подключении вдвое выше по сравнению с «индивидуальным».
Опыт эксплуатации «групповых» электроприводов разработки ВНИИЭМ в штатных режимах перегрузки топлива показал их высокую надежность: начиная с 2004 года по настоящее время на трех энергоблоках Калининской и трех энергоблоках Балаковской АЭС не было зафиксировано ни одного отказа.
Результаты сравнительного анализа систем электроприводов МП разработки ВНИИЭМ с электроприводами западных фирм сведены в таблицу.
Результаты сравнительного анализа систем электроприводов
Система электроприводов
Электропривод ВНИИЭМ Электроприводы западных фирм
Без датчика положения ротора С датчиком положения ротора (дополнительно 6 эн-кодеров)
Охлаждение двигателей естественное Охлаждение двигателей с принудительной вентиляцией (дополнительно 6 вентиляторов - «наездников»)
«Групповая» система электроприводов МП с двумя унифицированными преобразователями частоты «Индивидуальная» система электроприводов МП (дополнительно 4 преобразователя частоты)
Позволяет использовать в приводе захвата ТВС червячный редуктор с самоторможением, что обеспечивает высокую безопасность обращения с ядерным топливом Используется система с мощным тормозом с большим быстродействием, что вызывает чрезмерные ускорения при торможении на больших скоростях с опасностью повреждения ТВС
Результат сравнения
У электроприводов ВНИИЭМ:
- выше надежность,
- выше безопасность;
- меньше используется гермопроходок и кабельных связей,
- меньше установленного электрооборудования,
- проще, удобнее и экономичнее эксплуатация;
- меньше времени на обслуживание и восстановление, в результате чего выше КИУМ
В заключение следует отметить следующее.
Разработанные ФГУП «НПП ВНИИЭМ» комплексы электрооборудования с частотно-управляемыми асинхронными бездатчиковыми приводами для модернизации перегрузочных машин АЭС с реакторами ВВЭР-1000 имеют суммарный срок безотказной промышленной эксплуатации на шести энергоблоках отечественных АЭС, превышающий 20 лет, и соответствуют требованиям современных норм и правил по безопасности АЭС.
Для новых перегрузочных машин создание комплексов электрооборудования с применением серийно изготавливаемых электроприводов западных фирм приведет к существенным материальным и техническим издержкам:
- обоснование безопасности применения ЭЗФ в составе перегрузочной машины, входящей в системы, важные для безопасности АЭС;
- проведение дополнительных испытаний ЭЗФ на сейсмостойкость и электромагнитную совместимость, связанных с применением ЭЗФ в условиях АЭС;
- проведение верификации и валидации программного обеспечения
ЭЗФ;
- обучение персонала, приобретение запасных частей и другие затраты, возникающие в процессе эксплуатации ЭЗФ на АЭС.
Таким образом, можно сделать вывод, что специальные регулируемые электроприводы МП, разработанные ФГУП «НПП ВНИИЭМ», целесообразно применить в составе новых перегрузочных машин как имеющие технические, надежностные и эксплуатационные характеристики, превышающие таковые у серийных электроприводов западных фирм.
Список литературы
1. Шиянов А.И. и др. Системы управления перегрузочных машин реакторов АЭС с ВВЭР. М.:Энергоатомиздат. 1987.
2. Портной Ю.Т. Системы управления перегрузочными машинами АЭС с реакторами ВВЭР-1000. М.: Труды НПП ВНИИЭМ. Т. 100. 2001.
3. Жемчугов Г.А., Казачков А.Н., Портной Ю.Т., Смирнитский М.А. Новое поколение комплекса электрооборудования для перегрузочных машин АЭС с реакторами типа ВВЭР-1000. М.: Труды НПП ВНИИЭМ. Т. 101. 2004.
4. Жемчугов Г. А. и др. Серия асинхронных двигателей АДА для приводов механизмов атомных станций. М.: Электротехника. №7. 2001.
5. Коварский М.Е, Швецов Н.И., Осипов С.Г. Разработка асинхронных двигателей для приводов механизмов атомных станций, применяемых в тропическом климате М.: Труды НПП ВНИИЭМ. Т. 113 №6 2009.
6. Коновалова Е.В. Сравнительный анализ надежности группового и индивидуального подключения регулируемых электроприводов меха-
низмов машин перегрузочных АЭС. М.: Труды НПП ВНИИЭМ. Т. 110. № 3. 2009.
S. Zaharov, Uy. Portnoi, M. Smirnitski
The basic features frequency-operated asynchronous бездатчиковых electric drives of reloading cars of the atomic power station with reactor VVER-1000
Main peculiarities of frequency-control asynchronous sensorless electric drives of refueling machines of NPP equipped with WWER-1000 reactor are considered. It deals with a comparative analysis of drives manufactured in Russia and other countries as well.
Keywords: frequency-operated asynchronous sensorless the electric drive, the comparative analysis of domestic and foreign electric drives.
Получено 06.07.10
УДК 62-83:621/.69
Н.И. Присмотров, д-р техн. наук. проф., (8332) 64-84-37, khoroshavinvs@vgu.ru,
С.И. Охапкин, канд. техн. наук, доц. ,(8332) 64-25-25, khoroshavinvs@vgu.ru,
С.А. Корякин, инженер, (8332) 64-84-37, khoroshavinvs@vgu.ru, Н.В. Садаков, инженер, (8332) 64-84-37, khoroshavinvs@vgu.ru (Россия, Киров, ВятГУ)
ОБЪЕКТНО-ОРИЕНТИРОВАННЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЧАСТОТЫ ГРУППОВЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ МАШИН СРЕДСТВ МАЛОЙ МЕХАНИЗАЦИИ
Рассмотрены особенности построения и реализации объектно-ориентированных преобразователей частоты групповых электроприводов, обеспечивающих реализацию требований, предъявляемых к электроприводу машин средств малой механизации. Разработанные преобразователи имеют высокие эксплуатационно-технические и энергетические характеристики и соответствуют современному уровню в области систем электропривода машин СММ.
Ключевые слова: преобразователь частоты, средства малой механизации, системы электропривода машин.
Повышение производительности труда в технологических процессах, использующих средства малой механизации (СММ), достигается при применении редукторного электропривода (ЭП) с высокоскоростными двигателями, обеспечивающего минимизацию массы машины при допустимом уровне шума и вибробезопасности.
В настоящее время зарубежные фирмы в силу очевидных преимуществ своей продукции по качеству, надежности, внешнему виду и высоким эргономическим свойствам практически вытеснили с внутреннего
