ZASTOSOWANIE AGREGATU PRĄDOTWÓRCZEGO I PRZEMIENNIKA CZĘSTOTLIWOŚĆI DO ROZRUCHU SILNIKA POMPY WODY ZASILAJĄCEJ W WARUNKACH AWARII KATASTROFALNEJ

Transkrypt

1 Zeszyty Poblemowe aszyny Elektyczne 74/ Zbigniew Szulc, Politechnika Waszawska, Waszawa Kzysztof Fałdyga, Hous-Enegia, Waszawa ZASTOSOWAIE AGEGATU PĄDOTWÓCZEGO I PZEIEIKA CZĘSTOTLIWOŚĆI DO OZUCHU SILIKA POPY WODY ZASILAJĄCEJ W WAUKACH AWAII KATASTOFALEJ APPLICATIO OF GEEATIO SET AD FEQUECY COVETE TO STATIG OF WATE SUPPLY PUP OTO I HEAT AD POWE STATIO UDE BLACKOUT CODITIOS Abstact: In powe station o combined heat and powe station the biggest dive (in espect of powe) is wate supply pump dive. Unde blackout conditions this dive is supplying fom geneato in powe plant seveal hundeds kilometes away, which woks as an island. Stating of this dive is difficult in such conditions. In this aticle potential application of a local geneato set is pesented. 1. Wstęp Awaia katastofalna (blackout) w obiekcie typu elektownia lub elektociepłownia zmusza do kozystania z ezewowych źódeł zasilania w celu powotu takiego obiektu do nomalnej eksploatacji. ajczęściej w takim pzypadku tym ezewowym źódłem zasilania jest inny obiekt tego samego typu (lub jego część np. jeden lub dwa geneatoy) pacujący jako tzw. wyspa. ajwiększymi odbionikami enegii elektycznej, któe należy uuchomić po takiej a- waii są napędy pomp wody zasilającej i wentylatoów. oc ezewowych źódeł zasilania jest oganiczona i czasem tylko kilka azy większa od mocy znamionowych tych napędów (np. silniki napędowe pomp wody zasilającej o mocy znamionowej 4W, wentylatoów 1,6 W). ównocześnie ezewowe źódła zasilania są często w odległości setek km co zmusza do kilkukotnej tansfomacji enegii e- lektycznej (pzesył pzez linie 110kV, 220 kv) Jest to pzyczyną dużego spadku napięcia i niepewnego ozuchu układów napędowych dużej mocy. Autozy efeatu poponują zastosowanie do ozuchu napędów dużej mocy agegatów pądotwóczych (zastosowanych jako miejscowe źódło ezewowego zasilania) i pzemienników częstotliwości śedniego napięcia. 2. Pzykłady ozuchu układów napędowych dużej mocy Jako pzykład ozuchu układu napędowego dużej mocy zasilanego z ezewowego źódła enegii elektycznej pzedstawiony zostanie ozuch silnika o mocy 4 W i napięciu znamionowym 6 kv [1]. Silnik indukcyjny klatkowy napędza pompę wody zasilającej i w waunkach blackout u elektociepłowni zostaje pzyłączony popzez tansfomato linią zasilającą 110 kv i jeszcze jeden tansfomato, do dwóch geneatoów pacujących ównolegle (o mocy znamionowej 30 VA każdy) jako wyspa. a ys. 1 zostały pzedstawione pzebiegi watości skutecznych pądu i napięcia zasilających ten silnik. ajwiększa watość pądu osiągnęła 2300A a najmniejsza watość napięcia wynosiła 3800V. ozuch dokonał się w ciągu ok. 6s pzy momencie nie pzekaczającym 0,4 momentu znamionowego pzy maksymalnej pędkości. Duży spadek napięcia (ponad 36%) znacznie oganiczył moment ozwijany pzez silnik, co goziło utknięciem. a dwie dokonane póby tylko jedna zakończyła się sukcesem. Z powyższego opisu wynika, że nie jest to pewny sposób dokonywania ozuchu w waunkach blackout u elektociepłowni. Dokładna analiza enegetycznych zjawisk ozuchowych silnika wykazuje, że w początkowej fazie ozuchu pobieana jest duża watość mocy czynnej (staty) i bienej (magnesowanie). a ys. 2 zostały pzedstawione pzebiegi chwilowe pądu i mocy czynnej podczas ozuchu silnika o mocy 1600 kw i napięciu znamionowym 6 kv, napędzającym wentylato powietza. Silnik zasilany był z sieci o mocy zwaciowej 150VA. Chwilowa moc czynna obliczona była jako śednia watość iloczynu pądu i napięcia za okes:

2 30 Zeszyty Poblemowe aszyny Elektyczne 74/2006 ys.1. Pzebiegi watości skutecznych pądu (kolo czany) i napięcia (kolo czewony) silnika pompy wody zasilającej podczas ozuchu Pądy S S I1 S I2 S I3 Pąd [A] czas [s] ys.2a. Pzebiegi watości skutecznych pądów w tzech fazach silnika wentylatoa powietza podczas ozuchu oc P [kw] oc P [kw] czas [s] ys.2b. Pzebieg mocy czynnej pobieanej pzez silnik wentylatoa powietza podczas ozuchu

3 Zeszyty Poblemowe aszyny Elektyczne 74/ P = U Idt T (1) Z pzebiegu funkcji P = f(t) wynika, że w początkowej chwili (ok. 1s) silnik pobiea moc czynną o dużej watości (kilka azy większej od znamionowej). ównocześnie pędkość silnika jest wówczas badzo mała co oznacza, że moc wyjściowa (na wale) P w jest minimalna. Ponieważ: P W = Ω (2) pzy czym: moment obotowy silnika [m] Ω - pędkość kątowa silnika - [1/s] P w moc mechaniczna [W] więc moc dostaczana do silnika ze źódła enegii elektycznej jest w większości tacona w silniku i to głównie na staty mocy w ezystancjach stojana i winika. 3. ozuch silnika zasilanego z zespołu pądotwóczego Analiza pocesów pzejściowych podczas ozuchu silnika klatkowego zasilanego z zespołu pądotwóczego wskazuje na podobieństwo zjawisk gdy zasilanie pochodzi z sieci enegetycznej. Jednak podobieństwo dotyczy zjawisk tylko silnika. Źódło zasilania, w pzypadku agegatu pądotwóczego ma znacznie mniejszą moc zwaciową a silnik mechaniczny napędzający pądnicę nie posiada dużych możliwości pzeciążenia. Z tego względu moc agegatu musi być znacznie większa (kilka azy) od mocy silnika elektycznego. Jeżeli założymy, że tak jak wynika z ozdziału popzedniego moc pobieana w piewszych chwilach ozuchu z agegatu zwiększa się, głównie na staty (P ) na ezystancjach stojana i winika ( s + ) to można napisać: ' 2 P = 3( s + ) I (3) pzy czym: s ezystancja jednej fazy stojana [Ω] ezystancja zastępcza fazy winika spowadzona do obwodu stojana [Ω] I pąd ozuchowy silnika pzy znamionowych waunkach zasilania [A] Odnosząc tę moc do mocy znamionowej (P ) silnika można obliczyć jaką mocą czynną powinien dysponować agegat pądotwóczy (P a ) aby dokonać ozuchu silnika. a podstawie powyższych stwiedzeń można oszacować w pzybliżeniu moc agegatu pądotwóczego kozystając z zależności: P P pzy czym: 2 ( p p 1) 2 2 P k a k i = = (4) P 2 p p p k I = I 2 2 ( 1+ s ) cosϕ η = = max max ki = f X s poślizg znamionowy silnika cosϕ współczynnik mocy znamionowy silnika, η spawność znamionowa silnika, max moment maksymalny (kytyczny) silnika w waunkach znamionowego zasilania, moment ozuchowy silnika w waunkach znamionowego zasilania. Wszystkie podane powyżej paamety są dostępne w katalogach silników lub u poducenta. Jedynie paamet k i należy obliczyć na podstawie zastępczej ezystancji i eaktancji silnika podczas ozuchu. Watość jego najczęściej wynosi od 1,3 dla małych mocy silników do 1,8 dla dużych mocy. a ys 3 zostały pzedstawione oscylogamy pądów i napięć zasilających silnik klatkowy o mocy znamionowej 45 kw i napięciu znamionowym 380 V oaz pędkości synchonicznej 1500 ob/min. Silnik był zasilany z agegatu pądotwóczego o mocy 160 kva i napięciu 400 V. oc agegatu dobano według wyżej pzedstawionych zasad. a ys. 3a zostały pzedstawione oscylogamy wykonane podczas ozuchu nieobciążonego silnika a na ys. 3b pzy obciążeniu początkowym ównym 0,4 ( moment znamionowy silnika). W obu pzypadkach ozuch odbywał się bez zakłóceń. Pzy zasilaniu tego silnika z agegatu o mocy 88 kva, pomimo baku obciążenia na wale ozuch nie został dokonany. Oscylogam pądu i napięcia nieudanej póby został pzedstawiony na ys. 4. Agegat tej mocy nie spełnia waunku (4). ależy zauważyć, że zależność (4) pozwala z pewnym pzybliżeniem dokonać dobou mocy agegatu.

4 32 Zeszyty Poblemowe aszyny Elektyczne 74/2006 ys.3a. Oscylogam napięcia (pzebieg góny) i pądu (dolny) silnika 45 kw bez obciążenia pzy zasilaniu z agegatu pądotwóczego 160 kva ys.3b. Oscylogam napięcia (pzebieg dolny) i pądu (góny) silnika 45 kw z obciążeniem początkowym ównym 0,4 pzy zasilaniu z agegatu pądotwóczego 160 kva ys.4. Oscylogam nieudanego ozuchu silnika 45 kw bez obciążenia zasilanego z agegatu 88 kva W zeczywistości agegat posiada egulato napięcia i w zależności od jego dynamiki i właściwości eksploatacyjnych, poducent podaje jak pzepowadzać dobó paametów agegatu do danego silnika. Wszystkie agegaty (160 kva, 88 kva i 40 kva) podczas badań były sewisowane pzez fimę dostaczającą te uządzenia, a ich paamety zostały wzięte z danych katalogowych [2]. Oszacowanie na podstawie (4) daje większe watości mocy agegatów niż na podstawie zaleceń poducenta, ale mogą być wykozystywane do wstępnego dobou. 4. Zastosowanie pzemiennika częstotliwości zasilanego z agegatu pądotwóczego do ozuchu silnika Włączenie pomiędzy agegat pądotwóczy a silnik pzemiennika częstotliwości pozwala dokonać ozuchu silnika w sposób kontolowany bez pzetężeń. Efektem tego jest zastosowanie agegatu pądotwóczego o mocy 40 kva. Pzemiennik częstotliwości steował silnikiem najpostszą (tj. skalaną) metodą, zapewniającą tylko stały stumień stojana.. a ys. 5 zostały pzedstawione oscylogamy pądów i napięć zasilających pzemiennik częstotliwości podczas ozuchu silnika bez obciążenia (ys. 5a) i z początkowym obciążeniem ównym 0,4 (ys. 5b). Z analizy zjawisk i oscylogamów wynika, że moc agegatu może być mniejsza od mocy silnika. Dobó mocy agegatu zależy głównie od zeczywistego momentu obciążenia silnika. Steowanie metodą wektoową (DTC lub FOC) może jeszcze badziej zoptymalizować dobó mocy agegatu pądotwóczego. 5. Zastosowanie agegatu pądotwóczego do ozuchu silników dużej mocy i śedniego napięcia Analiza techniczno-ekonomiczna pzepowadzona pzez autoów atykułu wykazała, że optymalnym ozwiązaniem dla ozuchu silnika pompy wody zasilającej jest zastosowanie agegatu pądotwóczego niskiego napięcia i tansfomatoa podwyższającego. a ys. 6 został pzedstawiony schemat ideowo-blokowy takiego układu. Jeżeli układ ma służyć tylko do ozuchu to pzed pzełączeniem silnika po ozuchu z agegatu do sieci następuje synchonizacja agegatu z siecią. Umożliwia to układ synchonizujący w jaki został wyposażony agegat i łączniki śedniego napięcia. a podstawie metody dobou mocy agegatu stwie-

5 Zeszyty Poblemowe aszyny Elektyczne 74/ dzono, że należy zastosować tzy połączone ównolegle agegaty o mocy 2200 kva (obciążenie silnika stanowi pompa wody zasilającej z zamkniętymi zasuwami). Zastosowanie pzemiennika częstotliwości śedniego napięcia umożliwia zastosowanie tylko jednego agegatu pądotwóczego. a ys. 7 został pzedstawiony schemat ideowo-blokowy takiego układu. Agegat pądotwóczy o mocy znamionowej S = 2200 kva, napięciu znamionowym U = 400 V i pądzie znamionowym 2887 A zasila tansfomato podwyższający 0,4 kv /6,3 kv o mocy S T = 2500kVA i pzemiennika częstotliwości o zakesie częstotliwości wyjściowej 2 Hz 50Hz, napięciu znamionowym wyjściowym V, pądzie znamionowym wyjściowym 450 A z obwodem wejściowym 18-pulsowym. Pzemiennik częstotliwości typu PoweFlex 7000 [3] jest eksploatowany w Polsce (kilka egzemplazy w elektociepłowniach) i chaakteyzuje się sinusoidalnym napięciem wyjściowym (THD<8%) i niewielkim odkształceniem pądu wejściowego (THD<6%). Umożliwia steowanie wektoowe pądem silnika oaz synchoniczny tansfe do sieci enegetycznej pzy by-passowaniu silnika. Agegat pądotwóczy typu HE-P2200 jest też dostaczany i eksploatowany w kaju [2]. 6. Wnioski Zastosowanie agegatu pądotwóczego z pzemiennikiem częstotliwości do ozuchu silnika pompy wody zasilającej w elektociepłowni pzy wychodzeniu z blackoutu umożliwia osiągnięcie szeegu kozystnych właściwości eksploatacyjnych: - nie obciąża ezewowej sieci zasilającej - ozuch silnika jest łagodny i pewny (pzy ównoczesnym zastosowaniu pzemiennika częstotliwości) - w pzypadku tylko ozuchu umożliwia synchoniczne pzełączenie do sieci enegetycznej - po dokonaniu ozuchu może być wykozystany do ozuchu innego silnika - elementy zastosowane w tym układzie są dostaczane i eksploatowane pzez fimy kajowe [4] ys.5a. Oscylogam napięcia (pzebieg góny) i pądu (dolny) agegatu 40 kva zasilającego pzemiennik częstotliwości steujący silnikiem 45 kw bez obciążenia podczas ozuchu ys.5b. Oscylogam napięcia (pzebieg góny) i pądu (dolny) agegatu 40 kva zasilającego pzemiennik częstotliwości steujący silnikiem 45 kw z obciążeniem 0,4 podczas ozuchu

6 34 Zeszyty Poblemowe aszyny Elektyczne 74/2006 /S S D GS PZ S W1 ys.6. Schemat ideowo-blokowy układu ozuchowego silnika pompy wody zasilającej z zastosowaniem agegatu niskiego napięcia i tansfomatoa podwyższającego /S S D GS ~ ~ PZ W1 S ys.7. Schemat ideowo-blokowy układu ozuchowego silnika pompy wody zasilającej z zastosowaniem pzemiennika częstotliwości śedniego napięcia, tansfomatoa podwyższającego i agegatu niskiego napięcia 7. Liteatua [1] Jendoszczyk J., Kuzyński A., zeczkowski E.: Elektociepłownia Ostołęka jako źódło napięcia i mocy ozuchowej dla Elektociepłowni Siekieki w wypadku awaii katastofalnej. Enegetyka, 2/2004 [2] Katalog agegatów pądotwóczych HOUS- EEGIA [3] Katalog pzemienników częstotliwości śedniego napięcia PoweFlex 7000 ockwell Automation 2005 [4] Koczaa W., Szulc. Z.: Zastosowanie pzekształtników enegoelektonicznych do ozuchu silników indukcyjnych pądu pzemiennego dużej mocy. IV Kajowa Konfeencja aukowa SEE 2003