Неисправность АРН ABB GX 300-PR. Обзор АРН и его принцип действия.
При приёмке дел мне передали следующее:
Окей, займёмся позже. - подумал я и принял как оно есть.
Содержание:
2.1 Самовозбуждение;
2.2 АРН ABB GX 300PR;
2.3 Алгоритм действия;
2.4 Дополнительный обвес;
3. Путь к поиску неисправности;
Суть неисправности
По ходу трудовой деятельности мы пришли к моменту, когда правый валогенератор (ВГУ) перестал возбуждаться полностью: по достижению главным двигателем номинальных оборотов наблюдался кратковременный импульс возбуждения, поднимающий напряжение на генераторе до, примерно, 3000 вольт и, тут-же, просадка обратно до нуля. Всё это дело повторялось раз за разом, а возбуждения мы так и не получали. Наблюдая эту картину, я пошёл к щиту АРН и увидел, что одновременно с обозначенными ранее импульсами вяло втягивается какой-то (на данном этапе) контактор, именно в тот момент, когда система пытается возбудиться. Под «вяло» я подразумеваю тот факт, что он не втягивался резко, а так, словно у него проблемы с короткозамкнутым витком: процесс втягивания сопровождался сильным дребезгом и создавалось ощущение что контактор не втягивался вовсе.
Поскольку было нужно переходить на этот ВГУ, я решил просто от руки зажать контактор и это сработало: ВГУ возбудился. Как оказалось после – это было совпадение, не более того. Я решил заменить АРН. Во время моих тестов нового (запасного) АРН, у нас сгорел трансформатор, питающий тот самый контактор, который я ранее прожимал рукой. В общем ситуация интересная…
Я сделал срочную заявку на пару новых трансформаторов, два регулятора напряжения, и, пока ждал снабжения, пытался понять, что к чему и почему система вела себя именно так. В общей сложности на решение проблемы ушло, без малого, месяца полтора. Конечно, в это время входит ожидание заявки, переключение на другие работы и т.д.
Один очень важный момент, оказавший основное «сопротивление» при поиске неисправности – невозможность произвести какой-либо замер напряжения или тока, поскольку, те самые импульсы проскакивали слишком быстро. Все измерительные приборы на судне не успевали фиксировать изменение напряжения и были не в состоянии отобразить пиковые значения, в том числе, через функцию MIN/MAX. Поэтому искать проблему приходилось иначе. Подробнее об этом я расскажу позже, а сначала – расскажу о том, как работает вся система возбуждения ВГУ.
Именно после этого случая я решил приобрести себе карманный осциллограф. Будь подобный инструмент у меня изначально - на решение проблемы ушло значительно меньше времени.
Обзор системы возбуждения ВГУ 6600 вольт
Система возбуждения ВГУ судна, на котором я работаю на момент написания статьи. Для знакомства нам понадобятся две схемы: схема подключения генератора и схема щита автоматического регулятора напряжения. Помимо этого, познакомимся с принципом действия и функциональными возможностями, и настройками автоматического регулятора напряжения ABB GX 300-PR.
Начнём знакомство непосредственно с генератора. Пока нас интересуют трансформаторы тока и напряжения, установленные на обмотках валогенератора.
Я перенёс схему в электронный вариант убрав из неё вещи, которые никак не относятся к теме нашего разговора. К таким вещам я отношу датчики температуры, обогреватель и т.д.. Так же сразу обозначу схему щита автоматического регулятора напряжения. Поскольку нам нужно будет частенько прыгать между ними.
Самовозбуждение
Главный двигатель подготовлен. Производится пуск и обороты постепенно начинают подниматься до номинальных 127 об/мин. В момент начала вращения на шинах генератора начинает возникать ЭДС за счёт остаточного магнетизма. Это небольшая величина (относительно номинального ЭДС генератора), но она всё же присутствует. Обозначим этот момент на схеме:
По выделенным шинам видно, где именно присутствует ЭДС. С левой стороны у нас соединение обмоток генератора в звезду. Нейтраль изолирована. Справа мы видим вывод шин из генератора через Junction Box 1. Оттуда питание поступает на генераторный автомат, расположенный в правом ГРЩ (особенность проекта судна, тут два ГРЩ).
Сейчас нас интересует трансформатор Т1. Из оригинала схемы мы знаем, что этот трансформатор преобразует 6600 в 165, 110 и 110 вольт соответственно. Однако на его первичную обмотку сейчас поступает меньше 6600 вольт, соответственно и на вторичных обмотках далеко не номинальные 165 и 110 вольт. Тем не менее какая-то маленькая ЭДС там присутствует и нам нужно отследить куда она идёт. Для простоты я раскрасил интересующие нас вторичные обмотки в разные цвета.
По схеме видим, что они покидают генератор через Junction Box 3 и отправляются в щит АРН. Тут мы переходим к схеме щита АРН. Из данной схемы я также исключу пару моментов, которые могут сбить с толку. К ним относятся: Катушка К1 с делителем напряжения на мощном резисторе; узел защиты по высокому напряжения через автомат F1 и реле высокого напряжения OVR-10. Я замкну их и мы будем рассматривать схему в её нормальном-рабочем положении; Эти три элемента выделены красным и оранжевым цветами на схеме ниже. Далее в схемах их уже не будет до тех пор, пока мы не будем обсуждать отдельно их.
Как видите схема значительно упростилась. Кабель 1 (Фиолетовый) у нас уходит сразу в АРН. АРН для нас, пока, - «неизведанная земля, на которой обитают драконы», про него мы поговорим позже. Нас интересует кабель 2 (Зелёный): помимо того, что он так же идёт на АРН – он напрямую идёт на выпрямитель D3 (мостовая схема Ларионова). Оттуда, выпрямившись, питание поступает на Кабель 3: отрицательный полюс поступает на общий отрицательный терминал, а положительный полюс – через другой выпрямитель на общий положительный терминал. Для того чтобы отследить куда идёт Кабель 3 – нам необходимо вернуться к схеме генератора.
А поступают наши положительный и отрицательный полюсы непосредственно на обмотку возбуждения возбудителя. Тем самым мы создаём постоянное магнитное поле в неподвижной обмотке возбудителя. В этом постоянном магнитном поле вращается ротор, на котором установлена рабочая обмотка возбудителя. Вращаясь в постоянном магнитном поле на рабочей обмотке, наводится ЭДС, которое, выпрямляется вращающимися (потому что они вращаются на роторе) диодами (та же мостовая схема Ларионова) и это выпрямленное ЭДС поступает на обмотку возбуждения генератора создавая постоянное магнитное поле уже вокруг неё. Вращая ротор приводным двигателем, мы вращаем постоянное магнитное поле, тем самым наводя ЭДС уже на обмотках статора нашего генератора, говоря иначе – его шинах.
Вот такой увлекательный путь проделывает ЭДС от генератора и возвращаясь обратно в генератор. Как видите схема не циклична и на это есть причина:
Подавая напряжение на обмотку возбуждения (далее я буду говорить просто ОВ подразумевая и возбудитель, и генератор) мы «усиливаем остаточный магнетизм» тем самым увеличивая напряжение на шинах. Вместе с ЭДС на шинах увеличивается и величина ЭДС, поступающая на выпрямитель и, соответственно, обмотку возбуждения. Таким образом величина ЭДС будет стремиться к бесконечности. Как решается данная проблема в данной системе возбуждения?
Существуют и другие системы возбуждения бесщёточных синхронных генераторов (например система PMG). Поскольку статья посвящена обзору на конкретно мою систему – касаться других систем я не буду.
В цепи кабеля 2 (Зелёный) вы могли видеть контактор К2 (110 VAC). Именно через его нормально закрытые контакты поступает питание на вход выпрямителя D3. Несмотря на то, что он всё время находится под питанием – втягивается он только в тот момент, когда величина напряжения на его клеммах подступается к 110 вольтам. Пока на вход выпрямителя поступает недостаточно высокое напряжение – контактор не будет втянут и будет пропускать питание через себя. Когда генератор достаточно возбудится чтобы на выходе секции 1 трансформатора Т1 было 165 вольт (придёт к своим 6600 вольтам) – контактор К2 втянется и перестанет подавать питание на выпрямитель D3, тем самым остановит процесс самовозбуждения. Однако в схеме щита АРН присутствуют и нормально открытые контакты. Какую функцию выполняют они?
Отдельно выделил контактор К2 со всеми его контактами на схеме. Видим, что К2 что-то собой замыкает собой накоротко. Что-то, что уходит в Кабель 4. Отправляемся к схеме генератора и смотрим.
Приходят они от трансформатора тока Т3. В статье, посвящённой трансформаторам тока, я писал о том, что их нельзя удерживать в разомкнутом состоянии поскольку напряжение на выводах будет очень высоким. Именно это «высокое» напряжение мы и используем в тот момент, когда генератор самовозбуждается. Для того чтобы понять это – перейдём обратно к схеме АРН.
В момент, когда генератор самовозбуждается – выход трансформатора тока подключён напрямую к выпрямителю D1, выход с которого, в свою очередь, подключён к отрицательному полюсу ОВ и, через выпрямитель D2, к положительному полюсу ОВ. Таким образом мы видим, что выпрямитель D2 выступает таким себе суммирующим звеном который складывает на себе питания от трансформатора Т1 и трансформатора тока Т3.
Схему в момент самовозбуждения можно изобразить следующим образом. Сейчас мы можем наглядно увидеть, как сигналы с двух трансформаторов выпрямляются и поступают на обмотку возбуждения. В момент, когда генератор самовозбудился и напряжение на клеммах А1 и А2 контактора К2 стало достаточным для его втягивания – питание с выпрямителя D3 снимается простым разрывом цепи, однако с трансформатором тока так поступать нельзя, ибо напряжение «на разрыве» будет расти пока его не пробьёт от высокого напряжения и ТТ придёт в негодность. Поэтому его выводы нужно замыкать накоротко и именно это и делают доп. контакты контактора К2.
На этом этап самовозбуждения, очевидно, заканчивается. Теперь на обмотку возбуждения не поступает ничего из того, что обеспечивало генератор начальным возбуждением. Далее его работу будет поддерживать исключительно АРН.
АРН ABB GX 300PR
Вряд-ли я кого-то удивлю сказав, что роль автоматического регулятора напряжения состоит в том, чтобы поддерживать необходимый уровень возбуждения на генераторе и, соответственно, выходного напряжения.
Для того чтобы выдать нужное нам напряжение регулятор должен знать действующие параметры сети: напряжение, нагрузка (для распределения реактивной нагрузки при параллельной работе) и частота (для защиты). Обратимся к блок-схеме. Блок-схема представляет собой упрощённый вид отдельных узлов схемы.
Принципиальная схема с картой напряжений так же имеется, и я так же её прикреплю (для интересующихся) к посту с файлами из данной статьи.
На этой цветастой схеме я отдельными цветами выделил интересующие нас звенья:
- Красный: Силовые линии питания сети и самовозбуждения;
- Жёлтый: Цепь измерения просадки напряжения;
- Розовый: Цепь измерения величины напряжения;
- Зелёный: Цепь измерения частоты;
- Синий: Цепь измерения и регулировки коэффициента мощности;
- Оранжевый: Цепь формирования управляющего сигнала.
Дальше быстренько пробежимся по каждому из них и посмотрим что там происходит.
В данном каскаде мы наблюдаем как питание из генератора поступает на трансформатор, где (точка 1), в два этапа (один трансформатор не попал на картинку выше, но его можно увидеть на полной схеме). В точке 2 мы видим целый набор резисторов. Целый каскад обозначается как J3, что говорит нам о том, что это предназначено для джампера (перемычки). Этим джампером мы собираем сопротивление R (замыкая другие сопротивления), которое, в соотношении с сопротивлением ниже сформирует на выходе делителя напряжения 10В при номинальном значении напряжения, в моём случае это 6600В на шинах генератора, или 165В на выходе первого трансформатора. Данный каскад нужен для того, чтобы АРН мог работать с широким спектром напряжений.
В точке 3 мы видим тест точку. Она отдельно выведена на печатной плате для того, чтобы мы могли производить диагностику в процессе работы схемы. Когда на выходе однополупериодного выпрямителя напряжение равно номинальному - в тест точке (относительно общей) должно быть 10В. В точке 4 мы получаем управляющее напряжение на величину которого влияет, в том числе и другие каскады. С этими каскадами мы познакомимся дальше.
Помимо этого величина напряжения даёт регулятору "зелёный свет" на начало работы (старт регулирования/запуск). Это очень важный момент, о котором не стоит забывать. Регулятор не работает сразу, он начинает работать только при выполнении определённых условий. Напряжение - одно из них.
В точке 1 наш старый друг - трансформатор тока. После него, в точке 2, мы видим такой-же каскад резисторов, как на каскаде измерения напряжения. Аналогично предыдущему каскаду тут мы формируем падение напряжение, чтобы получить 1В при номинальном токе нагрузки (полная нагрузка). Весь каскад, окружающий точку 3 формирует сигнал, который накладывается на управляющий сигнал напряжения.
Данный каскад контролирует частоту сети для обеспечения Underfrequency Control. Суть в том, что регулятор понижает выходное напряжение чтобы, при снижении частоты, ограничивать выходную мощность генератора. Помимо этого от частоты зависит в какой именно момент включиться возбуждение генератора (переход с самовозбуждения). Ранее я говорил о влияющем на пуск напряжение, частота - второе условие.
Наглядный график показывающий зависимость выходного напряжения АРН от частоты сети при 50 и (60)Гц соответственно.
Каскад измерения коэффициента мощности. Тут наглядно видно как для измерения используются напряжение, которое берётся с понижающего трансформатора, а для сигнала тока - выход трансформатора тока, к выходу которого подключён второй обсуждаемый нами каскад.
Честно говоря не знаю насколько приведённая выше схема с графиком будет полезна для рядового читателя, но посчитал преступлением не указать что именно происходит в данном каскаде.
Последний каскад (точка 1) отвечает за собирание в кучу всех выходных сигналов упомянутых выше воедино и формирование итогового управляющего сигнала в лице сигнала ШИМ. ШИМ формирует блок, подписанный как PWM. Сигнал ШИМ управляет возбуждением через транзистор в цепи возбуждения возбудителя (точка 3). Точка 2 - выход питания из регулятора, который отправляется напрямую в возбудитель.
Рекомендую после прочтения краткого описания этих каскадов отыскать их на полной схеме и попытаться понять как именно все они работают и взаимодействуют между собой.
Алгоритм действия
Теперь обсудим последую, но далеко не по значению вещь, а именно то, на каких значениях происходит запуск АРН в работу. При запуске дизель-генератора первым делом у нас поднимается частота. АРН проверяет соответствие частоты необходимой величины. На диаграмме посвящённой каскаду измерения частоты в качестве высокого порога для системы 60Гц - 54Гц. Именно при достижении этой частоты АРН начинает включаться в работу. С этого момента происходит процесс самовозбуждения и АРН ждёт когда на его питающие клеммы попадёт достаточно высокое напряжение чтобы запуститься и работать самостоятельно.
Значение напряжения при котором АРН включается - это номинальное напряжение сети - 15%. Для питания АРН мы используем 165В с понижающего трансформатора. Т.е. для того, чтобы АРН включился, на клеммах питания должно быть минимум 140,25В, или, примерно, 5600В на шинах генератора.
Дальнейшую работу генератора и АРН мы уже разобрали, а потому можно приступить к обсуждению неисправности.
Вся эта информация была взята из мануала, который я, по какой-то причине, утратил. К сожалению я не смогу выложить и его. Однако эта информация взята у производителя.
Дополнительный обвес
Теперь быстренько пробежимся по "обвесу", от которого мы избавились в самом начале. Тут у нас всего три элемента:
- Защита от высокого напряжения (Жёлтый цвет);
- Тепловое реле F1 (Жёлтый).
- Контактор К1 включающий АРН и шунтирующий выпрямитель D1 (Красный);
- Резистор R3 в цепи питания контактора К1 (Красный);
"Защита от перенапряжения" говорит сама за себя. Уставкой на ней выступает номинальное значение питание АРН. Всё, что выше этого - приводит защиту в действие. В роли "действия" выступает находящееся тепловое реле F1. Помимо стандартной тепловой защиты данное реле можно активировать дистанционно, эти и занимает OVR.
С контактором К1 и резистором в его цепи питания история более интересная: когда я сунул нос в щит АРН в первый раз - я наткнулся на запах гари. Источником запаха оказался контактор К1. Питание на него поступает с аккумуляторных батарей, через щит потребителей 110В, и поступает оно туда постоянно. Контактор постоянно втянут. Решив замерить напряжение на его питающих клеммах - я обнаружил что вместо 24В на них приходит 37В. Резистор R3 (Большой и зелёный на фото ниже) существует в схеме исключительно для понижения напряжения на контакторе за счёт падения напряжения на этом самом резисторе. Именно поэтому он такой большой (читай "мощный"). Этот резистор - подстроечный, и настроен он был неправильно, поэтому я его настроил, а подгоревший от перегрева контактор - заменил.
Вообще меня многое смущает во всей этой конструкции: начиная от этого резистора, и заканчивая трансформатором, о котором мы поговорим дальше. Однако это ABB - мастадонт рынка, нужно отдать им дань уважения за то, что набирают к себе проектировщиков из класса коррекции.
Путь к поиску неисправности
Получена заявка. Я установил новый АРН и трансформатор в щит АРН, однако это не сработало... Как и было сказано ранее - невозможно произвести какой-либо замер напряжения или тока из-за того, что сигнал постоянно меняется. Всё что у нас есть - показания стрелочного вольтметра и панель PMS, которая достаточно быстро обновляется, чтобы увидеть как величина напряжения подскакивает до 3-3,2 киловольт. И так... Исходя из принципа работы всей системы со всеми тонкостями мы знаем что 3200В недостаточно для того чтобы АРН запустился, но почему напряжение не поднимается до этого уровня?
Вспоминаем пошаговый алгоритм запуска генератора:
- Пуск приводного двигателя;
- Возрастание частоты до величины, на которой запускается процесс самовозбуждения;
- Процесс самовозбуждения поднимает величину напряжения до номинальной;
- Самовозбуждение отключается и в работу вступает АРН;
Где-то между третим и четрвёртым шагом у нас присутствует проблема. Частота в норме. Возможно проблема со стороны генератора. Произвожу проверку всех звеньев, участвующих в генерации ЭДС самовозбуждения. Это все трансформаторы и трансформаторы тока. Полезаем внутрь генератора и проверяем.
Прежде чем отправиться на такую работу, необходимо, само собой, подумать обо всех процедурах по обеспечению собственной безопасности. Отключаем от питания АРН, отключаем шины от ГРЩ, запрещаем механикам вообще запускать приводной двигатель, даже не смотря на то, что ВГУ не находится в зацеплении с ВГУ.
Проверка заключалась в банальной проверке целостности проводников в режиме замера сопротивления. В подобных случаях, если вы не знаете как интерпретировать показания сопротивления - можно сравнить показания с заведомо работающим прибором. В моём случае всё былы хорошо. Вращающиеся диоды я не проверят т.к. изначально их не подозревал.
Тем не менее если бы я решил проверить диоды, я бы выполнял проверку мегаометром:
Для проверки мощных диодов мегаометром нужно произвести замер изоляции при номинальном напряжении диода в обратном направлении. Это покажет отсутствие пробоя. Изоляция должна быть на высоком уровне. Вот и всё.
Далее я решил притупить к проверке всех отдельных элементов щита АРН. Не смотря на то, что трансформатор в щите новый, я всё равно решил проверить его, ведь именно он, по сути, отвечает за момент переключения самосинхронизации на работу АРН. Вопрос лишь в том, почему это переключение происходит так рано?
Для тех кто не до конца понял роль этого трансформатора:
На выходе понижающего трансформатора находящегося в генераторе мы получаем 165В, однако, для питания контактора К2 нам нужно 110В. Вот и всё. Этот трансформатор нужен исключительно для питания этого контактора, но... Что будет если этот трансформатор перестанет трансформировать напряжение?
Это однофазный трансформатор с одной общей точкой: 0, 110 и 165В. Проверка НОВОГО трансформатора показала короткое замыкание между выводами 110В и 165В. Те 0.2 Ома - погрешность измерения обусловленная увеличенной длинной моих щупов, по-факту там КЗ. Если там КЗ - на выходе клеммы 110В мы получим 165В. Это означает, что контактор будет срабатывать раньше, посколько пороговое значение напряжения втягивания будет достигаться раньше, чем будет достигнуто значение напряжения, при котором включится АРН. АРН не включается, а потому, при переключении с режима самовозбуждения, генератор полностью теряет возбуждение, оттого всё возвращается вспять. Далее цикл запустится по новой, и снова контактор втянется слишком рано.
Да, как оказалось новый трансформатор, из коробки, оказался бракованным. При этом этот брак в точности повторил неисправность сгоревшего трансформатора.
Решение? Замена трансформатора на другой. Замена трансформатора решила проблему. Все тесты показали что система работает исправно.
Подытог
Помимо полезного, с практической точки зрения, данная история полезна своей моралью: всегда обращайтесь к руководствам от производителей, ибо даже не имея нужного измерительного инструмента и, по сути, работая вслепую, можно решить проблему. Ниже приложу пару фотографий которые, возможно, будут, кому-нибудь, интересны.
Если у вас остались какие-нибудь вопросы - смело пишите в мою Курилку.
Все дополнительные файлы к статье доступны по ссылке ниже:
https://t.me/Ocean_Current_Files/28
Так же не забывайте об информационном посте, в котором есть много полезной информации, в том числе и тем, кто хочет поддержать канал.
