Způsob detekce poruchy usměrňovače buzení synchronního generátoru
Oblast techniky
Technické řešení se týká detekce a případně i určení typu poruchy usměrňovače buzení synchronního generátoru. Navržené řešení je určené pro generátory s kroužkovým i bezkroužkovým buzením.
Dosavadní stav techniky
Konvenční způsob diagnostikování poruch usměrňovačů je nejčastěji založen na kontinuálním vyhodnocování úbytků napětí na jednotlivých polovodičových součástkách. Pokud je při provozu usměrňovače u dané součástky zjištěn nesoulad ve střídání mezi okamžikem vedení, kdy je na ni naměřena malá hodnota napětí v propustném směru, s časovým úsekem, při němž je na příslušné polovodičové součástce snímáno nemalé závěrné či blokovací napětí, dochází u dané součástky k signalizaci poruchy. Popsaný způsob však vede na poměrně komplikované analogové obvody a není možné ho aplikovat u rotačních usměrňovačů, které se nachází na rotoru bezkroužkových synchronních generátorů.
Další možností, jak lze u usměrňovačů detekovat poruchu, je kontinuálně snímat proudy na jejich střídavé straně, z naměřených hodnot fázových proudů vyhodnocovat střední či efektivní hodnotu. Při vzniku disproporce u efektivní či střední hodnoty mezi jednotlivými fázemi nebo značném odchýlení hodnot od bezporuchového stavu se signalizuje závada. Tato metoda však vyžaduje ve většině případů montáž dodatečných proudových senzorů, které nejsou na usměrňovacích běžně osazovány, a nelze ji stejně jako předchozí metodu použít u rotačních usměrňovačů. Uvedený princip je popsán např. v článku: N. M. A. Freire, J. O. Estima and A. J. Marques Cardoso, Open-Circuit Fault Diagnosis in PMSG Drives for Wind Turbine Applications, in IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 60, no. 9, pp. 3957-3967, Sept. 2013, doi: 10.1109/TIE.2012.2207655. Při některých známých metodách diagnostiky poruchy usměrňovačů se využívá pulznosti diagnostikovaného usměrňovače. Pulznost je definována jako poměr mezi frekvencí první harmonické střídavé složky usměrněného napětí a první harmonické napětí na střídavé straně usměrňovače.
Pokud nejsou poruchy polovodičových součástek rotačních usměrňovačů bezkroužkových synchronních generátorů spolehlivě diagnostikovány, dochází při udržování efektivní hodnoty svorkového napětí hlavního synchronního generátoru k proudovému přetěžování rotačního budiče, a tedy i k jeho enormnímu tepelnému ohřevu. To má za následek rychlejší stárnutí izolace rotačního budiče a může v elektrárnách, kde jsou tyto stroje nasazeny, znamenat potencionální vznik velkých hospodářských škod.
Jsou známa technická řešení, jejichž základem je vyhodnocování poruchy systému buzení na základě měření rozptylového magnetického pole bezkroužkových synchronních generátorů, jako například v dokumentu ES 2738649 A1 a ES 2738649 B2. Tento způsob řešení však vyžaduje montáž speciálních senzorů na měření rozptylového magnetického pole, což není vždy možné, a navíc je to finančně nákladné.
Níže uvedený vynález umožňuje spolehlivou detekci poruch polovodičových součástek rotačních a stacionárních usměrňovačů, a to bez nutnosti montáže dodatečných speciálních senzorů a jiné měřicí instrumentace.
- 1 CZ 310251 B6
Podstata vynálezu
Podstatou vynálezu je způsob diagnostikování poruch u usměrňovačů, jež jsou na stejnosměrné straně v bezporuchovém stavu provozovány při nepřerušovaném proudu. Typicky se jedná o usměrňovače, které jsou součástí zdrojů buzení u synchronních generátorů. Za poruchu je u diagnostikovaného usměrňovače považována situace, kdy v místě vadné polovodičové součástky dochází ke zkratu či trvalému rozpojení obvodu. Způsob detekce je založen na vyhodnocení míry zastoupení podílu vyšších harmonických ve frekvenčním spektru měřeného signálu. Při diagnostikování poruchy rotačního usměrňovače je hlavní měřenou veličinou budicí proud vstupující do zařízení s rotační magnetickou vazbou, zatímco u stacionárních usměrňovačů je výhodné využít pro detekci poruchy doplňkové měření jejich výstupního usměrněného napětí.
Frekvenční analýzou měřeného signálu (vždy proud a doplňkově napětí) je získána jak amplituda základní harmonické, jejíž frekvence je rovna frekvenci střídavého napájecího napětí diagnostikovaného usměrňovače, tak jejích všech nenulových celistvých násobků až do hodnoty odpovídající součinu základní harmonické a pulznosti p diagnostikovaného usměrňovače. Získané hodnoty amplitud frekvenčního spektra měřeného signálu až do řádu (p-1) jsou znormovány pomocí p -té harmonické a následně sečteny, čímž se získá aktuální bezrozměrná hodnota faktoru poruchy (v případě signálu proudu je bezrozměrný proudový faktor poruchy značen Xi a v případě signálu napětí je bezrozměrný napěťový faktor poruchy značen Xu). V dalším kroku je zkoumán odstup aktuální hodnoty bezrozměrného faktoru Xi, resp. Xu, poruchy od bezporuchového stavu. Při překročení stanovené meze dojde k signalizaci poruchy výkonových polovodičových součástek diagnostikovaného usměrňovače.
K spolehlivé detekci mezních poruchových stavů je u rotačních usměrňovačů navíc snímáno svorkové napětí napájeného synchronního generátoru. Za mezní poruchový stav je u diagnostikovaných usměrňovačů považován případ, kdy na výstupních stejnosměrných svorkách dochází k trvalému zkratu nebo k trvalému odpojení minimálně jednoho ze stejnosměrných pólů usměrňovače od zátěže, které nastává, pokud u všech polovodičových součástek náležících do katodové nebo anodové skupiny usměrňovače dojde při poruše k trvalému rozpojení obvodu.
Za účelem konkretizace polovodičových součástek, u nichž došlo k poruše, je u rotačních usměrňovačů snímán úhel natočení (poloha) rotoru napájeného synchronního generátoru, který je násoben počtem pólpárů zařízení s rotační magnetickou vazbou, jenž společně s diagnostikovaným usměrňovačem tvoří rotační budič. U stacionárních usměrňovačů je za účelem konkretizace vadných polovodičových součástek vypočítávána, typicky pomocí Clarkové transformace, poloha prostorového vektoru střídavého napájecího napětí ve stojícím souřadném systému. Výpočet polohy prostorového vektoru může být prováděn průběžně po celou dobu provozu usměrňovače nebo jednorázově po detekci poruchy. Na základě takto stanoveného elektrického úhlu diagnostikovaného usměrňovače lze při zohlednění jeho úhlu řízení určit takt vedení součástek, při nichž dochází k anomálnímu tvaru měřeného signálu. U rotačních usměrňovačů jsou zkoumány anomálie pouze v časovém průběhu budicího proudu zařízení s rotační magnetickou vazbou, jenž společně s diagnostikovaným rotačním usměrňovačem tvoří rotační budič. U stacionárních usměrňovačů je výhodné vyšetřovat i anomálie v časovém průběhu usměrněného napětí.
Zdroje buzení, jejichž součástí jsou usměrňovače, které lze diagnostikovat na základě stanoveného bezrozměrného faktoru Xi, resp. Xu poruchy, mají typicky, nikoliv však výlučně, jednu z níže uvedených topologií:
a) Zdroj buzení je tvořen stacionárním řízeným tyristorovým usměrňovačem, jenž je napájen ze střídavého zdroje (typicky střídavé sítě nebo jiného rotačního střídavého zdroje umístěného na společné hřídeli se synchronním generátorem) a jeho stejnosměrné svorky jsou galvanicky spojeny s budicím vinutím synchronního stroje.
- 2 CZ 310251 B6
b) Součástí zdroje buzení je rotační usměrňovač, jehož stejnosměrné svorky jsou galvanicky spojeny s budicím vinutím synchronního stroje a jeho střídavé svorky jsou připojeny k zařízení s rotační magnetickou vazbou (typicky k rotačnímu budiči inverzního synchronního typu nacházejícímu se na společné hřídeli se synchronním strojem), které je napájeno buď ze střídavého zdroje (typicky střídavé sítě nebo jiného rotačního střídavého zdroje umístěného na společné hřídeli se synchronním generátorem) přes řízený usměrňovač, nebo prostřednictvím regulovaného stejnosměrného zdroje tvořeného dc/dc měničem.
Popsaným způsobem lze detekovat poruchu u jedné či více polovodičových součástek diagnostikovaného usměrňovače. Typ poruchy je u rotačních usměrňovačů vyhodnocován na základě velikosti efektivní hodnoty svorkového napětí synchronního generátoru a z porovnání bezrozměrného proudového faktoru Xi poruchy s předem vypočtenými nebo experimentálně určenými hodnotami pro jednotlivé typy poruch, které jsou uloženy v řídicím počítači. Naproti tomu u stacionárních usměrňovačů je ke stanovení typu poruchy kromě porovnání bezrozměrného faktoru Xi, resp. Xu, poruchy s předem vypočtenými nebo experimentálně určenými hodnotami nutné vyhodnocovat i střední hodnotu proudu na stejnosměrné straně usměrňovače.
Popsaný vynález překonává existující řešení ochran usměrňovačů pracujících při nepřerušovaném proudu tím, že je schopen spolehlivě detekovat poruchu a výhodně určit i její typ. Navržené řešení vystačí s běžným HW vybavením řídicích počítačů (typicky regulátorů buzení), nevyžaduje žádné dodatečné prvky, a je velmi jednoduché a robustní z hlediska jeho ladění. Ladění spočívá v nastavení pouze jednoho parametru, kterým je bezrozměrná proudová mez Xi treshold detekce poruchy. V případě využití doplňkového bezrozměrného napěťového faktoru Xu poruchy je pak nutné nastavit ještě bezrozměrnou napěťovou mez Xu threshoid detekce poruchy.
Objasnění výkresů
Příkladné provedení navrhovaného vynálezu, jehož účelem je diagnostikovat poruchy polovodičových součástek u usměrňovačů, které pracují při nepřerušovaném proudu, je popsáno s odkazem na výkresy, kde je na obr. 1 - topologie zapojení synchronního generátoru se zdrojem buzení tvořeným stacionárním řízeným tyristorovým usměrňovačem;
obr. 2 - topologie zapojení synchronního generátoru se zdrojem buzení tvořeným zařízením s rotační magnetickou vazbou, na jehož výstupu je připojen rotační usměrňovač; člen s rotační magnetickou vazbou je napájen buď ze střídavého zdroje přes tyristorový usměrňovač, nebo prostřednictvím dc/dc měniče.
obr. 3 - principiální blokové schéma algoritmu na detekci poruch polovodičových součástek u stacionárních a rotačních usměrňovačů provozovaných při nepřerušovaném proudu.
Příklad uskutečnění vynálezu
V příkladném provedení jsou popisovány aplikace, u nichž typicky pracují usměrňovače při nepřerušovaném proudu, tzn. je u nich splněna základní podmínka pro diagnostikování poruch jejich polovodičových součástek na základě metody uvedené v tomto vynálezu. Jedná se o topologie obvodů buzení synchronních generátorů 1, u nichž je nedílnou součástí zdroje 2 buzení stacionární usměrňovač 7 či rotační usměrňovač 4.
- 3 CZ 310251 B6
Na obr. 1 je uvedena varianta zdroje 2 buzení pro kroužkové synchronní generátory 1 s vinutým rotorem realizovaná prostřednictvím stacionárního řízeného tyristorového usměrňovače 7. Stacionární řízený tyristorový usměrňovač 7 je napájen ze střídavého zdroje (typicky střídavé sítě nebo jiného rotačního střídavého zdroje umístěného na společné hřídeli se synchronním generátorem 1).
Navržená metoda diagnostiky poruchy usměrňovače buzení je vhodná i pro topologie zapojení obvodů zdroje 2 buzení používané u bezkroužkových synchronních generátorů uvedené na obr. 2. Bezkroužkový synchronní generátor 6 je tvořen uskupením, které sestává ze zařízení s rotační magnetickou vazbou 5 (typicky rotační budič inverzního synchronního typu nacházející se na společné hřídeli se synchronním strojem 1), z rotačního usměrňovače 4 a synchronního generátoru 1. Zařízení 5 s rotační magnetickou vazbou je napájeno buď ze střídavého zdroje (typicky střídavé sítě nebo jiného rotačního střídavého zdroje umístěného na společné hřídeli se synchronním generátorem 1) přes stacionární řízený tyristorový usměrňovač 7 (jedná se o způsob napájení naznačený v prvním napájecím bloku 10), nebo prostřednictvím dc/dc měniče 8, jehož stejnosměrné vstupní svorky jsou připojeny ke střídavému zdroji (typicky k střídavé síti nebo jinému rotačnímu střídavému zdroji umístěnému na společné hřídeli se synchronním generátorem 1) přes diodový usměrňovač 9, jedná se o druhou variantu napájení naznačenou v druhém napájecím bloku 11.
Princip detekce poruch rotačních usměrňovačů 4 a stacionárních usměrňovačů 7 je založen na frekvenční (Fourierově) analýze změřeného signálu budicího proudu 3, resp. napětí 13, kdy v bloku 17 výpočtu amplitudy základní harmonické jsou z harmonické analýzy měřeného signálu získány amplitudy všech nenulových celistvých násobků základní harmonické frekvence až do harmonické rovnající se součinu základní harmonické a pulznosti p usměrňovače 4, resp. 7. Frekvence základní harmonické je přitom rovna frekvenci střídavého napájecího napětí usměrňovače 4, resp. 7. Diagnostikování poruchy polovodičových součástek usměrňovače 4, resp. 7, se provádí pomocí bezrozměrného proudového faktoru Xi poruchy a/nebo bezrozměrného napěťového faktoru Xu poruchy, viz blok 18 výpočtu faktoru poruchy. Překročí-li po dobu delší než jedna perioda základní harmonické frekvence kontinuálně vyhodnocovaný bezrozměrný proudový faktor Xi poruchy definovanou bezrozměrnou proudovou mez Xiphoid detekce poruchy, resp. bezrozměrný napěťový faktor Xu poruchy, definovanou bezrozměrnou napěťovou mez Xu tr-eshold detekce poruchy, viz blok 19, je signálem 26 indikována porucha rotačního usměrňovače 4, resp. signálem 27 indikována porucha stacionárního usměrňovače 7. Vzhledem k tomu, že zdrojem poruchy může být rotační usměrňovač 4 nebo stacionární usměrňovač 7, je výsledný signál 30 poruchy zdroje 2 buzení určen logickým součtem signálu 26 poruchy rotačního usměrňovače 4, signálu 27 poruchy stacionárního usměrňovače 7 a signálu 29 ukončení nabuzovací procedury po zpracování navrženou logikou zakreslenou v obr. 3.
Během řádného provozu synchronního generátoru 1 (tj. byla ukončena procedura nabuzení synchronního generátoru 1, což je indikováno signálem 29 dokončení) je porucha u topologie na obr. 1 a obr. 2 detekována i v případě, že je stejnosměrná složka změřeného budicího proudu 3 mimo povolený provozní rozsah.
Dále je porucha detekována v případě, že je ukončena procedura nabuzení synchronního generátoru 1 (viz indikace signálem 29 dokončení) a efektivní hodnota indukovaného napětí generátoru 1 při budicím proudu 3, jehož velikost se nachází v povoleném provozním rozsahu definovaném pro daný synchronní generátor 1, je menší, než efektivní hodnota indukovaného napětí synchronního generátoru 1 určená pro minimální povolený provozní budicí proud 3. Pro určení výše popsaného indukovaného napětí synchronního generátoru 1 je použito měřené svorkové napětí 14.
Procedurou nabuzení se myslí stav, kdy synchronní generátor 1 vyjede na provozní otáčky a požadovaný budicí proud 3 se zvýší z 0 na požadovanou hodnotu odvozenou od síťového napětí.
- 4 CZ 310251 B6
Ladění navržené metody spočívá v nastavení bezrozměrné proudové meze Xttreshoid detekce poruchy, resp. bezrozměrné napěťové meze Xutreshoid detekce poruchy, viz blok 19. Ladění je provedeno tak, že bezrozměrný faktor Xi, resp. Xu, poruchy je změřen v bezporuchovém stavu stroje a tím se určí bezporuchový referenční bezrozměrný faktor X_ref, resp. Xuref. Dále je bezrozměrný faktor Xi, resp. Xu, poruchy měřen při umělé poruše, kdy v usměrňovači 4, resp. 7, nevede jedna výkonová polovodičová součástka. Tím se určí poruchový referenční bezrozměrný proudový faktor Xen-, resp. poruchový referenční bezrozměrný napěťový faktor Xuerr. Bezrozměrná mez Xiphoid, resp. Xutreshoid, detekce poruchy je určena v bloku 19 aritmetickým průměrem hodnot bezporuchového referenčního bezrozměrného proudového faktoru Xi ref a poruchového referenčního bezrozměrného proudového faktoru Xi err, resp. bezporuchového referenčního bezrozměrného napěťového faktoru Xuref a poruchového referenčního bezrozměrného napěťového faktoru Xuerr.
Navržená metoda je schopna vyhodnotit i typ poruchy daný zkratem nebo rozpojením jedné nebo více výkonových polovodičových součástek usměrňovače 4, resp. 7. Typ poruchy je vyhodnocen z velikosti stejnosměrné složky budicího proudu 3 (blok 24), efektivní hodnoty svorkového napětí 14 synchronního generátoru 1 (blok 25) a z porovnání bezrozměrného faktoru Xi, resp. Xu, poruchy (blok 18) s předem vypočtenými nebo experimentálně určenými hodnotami pro jednotlivé typy poruch usměrňovače buzení, které jsou uloženy v řídicím počítači 12 (typicky v regulátoru buzení). Algoritmus detekování poruchy polovodičových součástek usměrňovače 4, resp. 7, a zdroje buzení 2 je patrný z blokového schéma na obr. 3. Základními diagnostickými signály, jak popsáno výše, jsou budicí proud 3 a měřené napětí 13 na stejnosměrné straně stacionárního usměrňovače 7.
Za účelem konkretizace výkonových polovodičových součástek, u nichž došlo k poruše, je u rotačních usměrňovačů 4 snímán úhel 15 natočení rotoru napájeného synchronního generátoru 1. Úhel 15 natočení rotoru je násoben počtem pólpárů pp (viz blok 22) zařízení 5 s rotační magnetickou vazbou, které společně s diagnostikovaným rotačním usměrňovačem 4 tvoří rotační budič. U stacionárních usměrňovačů 7 je za účelem konkretizace vadných polovodičových součástek vypočítávána, typicky pomocí Clarkové transformace (viz blok 23), poloha prostorového vektoru měřeného svorkového napětí 16 střídavého zdroje ve stojícím souřadném systému. Na základě takto stanoveného elektrického úhlu diagnostikovaného stacionárního usměrňovače 7 lze při zohlednění jeho úhlu řízení určit takt vedení součástek (viz blok 21), při nichž dochází k anomálnímu tvaru měřeného signálu (viz blok 20). U rotačních usměrňovačů 4 jsou zkoumány anomálie (viz blok 20) v časovém průběhu budicího proudu 3 zařízení 5 s rotační magnetickou vazbou, jež společně s diagnostikovaným rotačním usměrňovačem 4 tvoří rotační budič. U stacionárních usměrňovačů 7 je výhodné analyzovat anomálie (viz blok 20) i v časovém průběhu měřeného napětí 13 na stejnosměrné straně stacionárního usměrňovače 7.