WPŁYW RODZAJU SILNIKÓW NA PARAMETRY ELEKTROENERGETYCZNE NAPDU WALCARKI PRTÓW MIEDZIANYCH

Transkrypt

1 Zeszyty Problemowe Maszyy Elektrycze Nr 7/5 65 Kazimierz Jagieła, Jausz Rak, Maria Kpiski, Marek Gała Politechika Czstochowska, Czstochowa WPŁYW RODZAJU SILNIKÓW NA PARAMETRY ELEKTROENERGETYCZNE NAPDU WALCARKI PRTÓW MIEDZIANYCH INFLUENCE OF MOTORS TYPE ON ELECTRICAL POWER PARAMETERS OF ROLLING STAND BAR COPPER Abstract: The paper deals with comparative aalysis of parameters describig the electric power draw from a medium voltage idustrial etwork by MW of omial power electric drives of copper bars rollig mill. The compariso was possible i cosequece of moderizatio of the rollig mill s mai drive, which icluded replacemet of the thyristor DC drive by a asychroous drive fed from a DTC coverter. The computatioal aalysis of active, reactive, apparet ad deformatio power was coducted o the basis of recorded voltages ad currets for both versios of the drives. Characteristic idices of the power quality were determied as spectra of the voltage ad curret harmoics as well as total harmoic distortio (THD) coefficiets of the voltage ad curret. MATLAB ad DASYLab software was used for measuremets ad computatios. The results obtaied from the aalysis show that the cotrolled AC drive has smaller egative impact o the supply etwork i compariso with the equivalet thyristor DC drive. Cosumptio of the reactive power ad deformatio power was reduced respectively by order of magitude ad about 5%. It is a cosequece of icreased power factor ad sigificat reductio of rms values of the first ad higher harmoics of the curret draw from the etwork by the drive with a frequecy coverter comparig to the drive with a thyristor rectifier.. Wstp Rozszerzeie zakresu regulacji prdkoci liiowej w procesie walcowaia prtów miedziaych było powodem przeprowadzeia moderizacji polegajcej a zamiaie rodzaju apdu główego walcarki z tyrystorowego układu prdu stałego a apd prdu przemieego z silikiem asychroiczym zasilaym z przemieika czstotliwoci typu DTC o bezporediej regulacji mometu. Zaistalowaie eergoelektroiczego apdu prdu przemieego oprócz zwikszeia iezawodoci dało rówie swoje pozytywe efekty w aspekcie poprawy parametrów okre- lajcych jako pobieraej eergii elektryczej z przemysłowej rozdzieli rediego apicia. Wie si to zarówo ze zmiejszeiem poboru mocy bierej jak rówie z ograiczeiem poboru wyszych harmoiczych prdu. W aalizowaych dwóch rodzajach apdów klatki walcowiczej zastosowao a poziomie rediego apicia jedogałziowy filtr pasywy, który spełiał podwój rol: kompesatora mocy bierej oraz kompesatora okreloych wyszych harmoiczych prdu i apicia.. Charakterystyka techicza zespołów apdowych walcarki prtów miedziaych Układy rozdzielcze zasilaia silików apdu walcarki przedstawioo a rys.a i b. W pierwszym przypadku maszya prdu stałego o mocy,8 MW i omialym apiciu tworika V jest zasilaa przez awroty tyrystorowy przekształtik DC (PT) z trasformatora T podłczoego do sieci przemysłowej o apiciu 6kV. W drugim przypadku maszya prdu przemieego o mocy MW jest zasilaa przez przemieik czstotliwoci (PCZ) z trasformatora T3 o takiej samej mocy jak T, lecz o iym apiciu stroy wtórej. W obu przypadkach zastosowao jed gał pasywego filtru L-C, pozostawiajc idetycz warto idukcyjo- ci dławika. Dla apdu asychroiczego w gałzi filtra L-C obioo trzykrotie warto baterii kodesatorów. Z daych, które zestawioo w tabeli moa stwierdzi, i istieje dua zbieo w zakresie omialych parametrów elektromechaiczych dla aalizowaych apdów walcarki.

2 66 Zeszyty Problemowe Maszyy Elektrycze Nr 7/5 a) b) 6kV 6kV Rys.. Kofiguracje zasilaia apdu główego walcarki z sieci 6 kv: a) dla silika DC z prostowikiem sterowaym; b) dla silika AC z przemieikiem DTC. Tabela. Wartoci omiale silików apdu walcarki przed i po moderizacji P [kw] [obr/mi] U [V] I M [Nm] Napd tyrystorowy prdu stałego Napd asychroiczy z przemieikiem DTC Zasadicze parametry impedacyje dla obwodów zasilaia maszy układów apdowych walcarki przeliczoe a poziom apicia 6 kv przedstawioo w tabeli. Tabela. Wartoci reaktacji elemetów składowych systemu zasilaia apdu walcarki System elektroeergetyczy Trasformatory S zw = 35 MVA T T, T3 X S [m] Kabel 6 kv X T [] X T [] R k =3 m 8,9,48,4 X k = m Istote róice w doborze elemetów rozdzieli zasilajcej dla obu rodzajów apdów walcarki wystpuj w obwodach filtrów pasywych L-C. Ich parametry zestawioo w tabeli 3. Tabela 3. Parametry filtrów wh dla apdu walcarki Q C [kvar] C [F] L [mh] r [s - ] Napd tyrystorowy prdu stałego Rzd r [-] 4 4, ,4 Napd asychroiczy z przemieikiem DTC 43 36,6 4, ,63 W tabeli 3 ujto parametry dla waruków rezoasu własego gałzi L-C. Uwzgldiajc kofiguracj zasilaia, charakterystyka czstotliwociowa tego układu zawiera ie czstotliwoci rezoasowe zwizae z impedacjami systemu oraz iych odbiorików przyłczoych do sieci 6/,4 kv/kv []. 3. Wybrae parametry okrelajce jako eergii elektryczej Podstawowe parametry okrelajce jako eergii pobieraej z sieci SN zostały zawoe do współczyików zawartoci harmoiczych apicia i prdu THD U i THD I, wartoci api i prdów wraz z ich rozkładami dla harmoiczych a do rzdu 4 [7] oraz składowych mocy: czyej, bierej, deformacji i pozorej. Za wskaiki charakteryzujce jako parametrów zasilaia przyjto współczyiki zawarto- ci harmoiczych apicia i prdu THD U i THD I, które okrelae s wzorami () i () [4, 5, 6, 8]: k = = U THDU = () U

3 Zeszyty Problemowe Maszyy Elektrycze Nr 7/5 67 k = = THDI = () I gdzie: U, I - wartoci skutecze pierwszej harmoiczej przebiegu apicia i prdu, U, I - wartoci skutecze -tej harmoiczej apicia wzgldie prdu. Moc czy wyliczoo jako [,3,4]: T P = U( t) I( t) dt = U I cos ϕ (3) T I = Moc pozor dla przebiegów iesiusoidalych okreloo według astpujcej formuły [,3,4]: = = S = U I = U I (4) Zgodie z teori mocy C. J. Budeau [6] moc bier Q obliczoo a podstawie zaleoci: Q = U I si ϕ (5) = Dla przebiegów iesiusoidalych spełioa jest relacja midzy poszczególymi mocami w formie: D D = S = Q P + V (6) gdzie: D - moc dystorsji, V - moc deformacji okreloa w moografii [6] obliczoa wg astpujcej zaleoci: [ U Ik + U k I U I U k Ik cos( ϕ ϕk )](7) V = = k= k Do pomiarów api i prdów wykorzystay został komputer PC wyposaoy w kart pomiarow PCL-88HD oraz oprogramowaie aplikacyje DASYLab umoliwiajce rejestracj i przetwarzaie sygałów. Jed z główych zalet komputerowej rejestracji sygałów jest Rodzaj apdu walcarki Tyrystorowy prdu stałego Asychroiczy z przemieikiem czstotliwoci DTC P [kw] Q [kvar] moliwo dalszej cyfrowej aalizy przebiegów poprzez zastosowaie metod statystyczych wraz z szybk trasformat Fouriera FFT [4, 5]. Z uwagi a iezbd separacj galwaicz komputerowego systemu pomiarowego od sieci elektroeergetyczej w obwodach wejciowych zastosowao przetworiki prdowe i apiciowe firmy LEM typu LA i LV. 4. Wyiki bada układów apdowych walcarki Wykoae badaia przebiegów apicia i prdu pobieraego z sieci rediego apicia były podstaw do okreleia stopia oddziaływaia apdów maszy walcarki duej mocy a sie przemysłow. W celu porówaia stopia deformacji przebiegów apicia a szyach rozdzieli 6 kv wykoao pomiary kształtu apicia i prdów w warukach prawie idetyczego obcieia moc czy, przy załczoych filtrach wyszych harmoiczych. Odpowiedie przebiegi apiciowo-prdowe przedstawioo a rysukach i 3. W obu przypadkach wida wyrae odkształceia prdów pobieraych przez układy apdowe walcarek. Odoie kształtu apicia zasilajcego, moa stwierdzi miejszy stopie odkształceia dla układu apdowego AC, co rówie zajduje swoje odzwierciedleie w obliczoym wskaiku THD U (tabela 5). Na rysukach 4 i 5 przedstawioo widma api i prdów w rozkładzie harmoiczym do rzdu 4. Na podstawie aalizy widmowej okreloo wskaiki THD, których wartoci zestawioo w tabeli 5. Dyspoujc zarejestrowaymi przebiegami api i prdów, stosujc wzory okreloe według zaleoci (3) do (7) obliczoo wartoci składowych mocy pobieraych przez oba apdy, a ich wartoci zamieszczoo w tabeli 4. Dae z tej tabeli wiadcz o tym, i pomiary wykoae były dla prawie idetyczych waruków pracy obu aalizowaych rodzajów apdów walcarki. D [kvar] Tabela 4. Parametry elektrycze apdów walcarki S [kva] D/P =P/S [-] cos [-] ,44,474 88, ,3,98,98

4 68 Zeszyty Problemowe Maszyy Elektrycze Nr 7/5 U [kv] 6, 4,5 3,,5, -,5-3, -4,5-6, [ms] Rys.. Przebiegi apicia zasilaia i prdu pobieraego przez układ apdowy DC. U [kv] I 5,,5 -,5-5, [s] Rys.3. Przebiegi apicia zasilaia i prdów pobieraych przez układ apdowy AC oraz filtr L-C..5 Widmo api cia od do 4 harmoiczej 35 Widmo pr du od do 4 harmoiczej 3 5 ] [% U r/u.5 ] [% Ir/I rz d harmoiczej Rys.4. Rozkład harmoiczych apicia zasilajcego dla układu apdowego DC rz d harmoiczej Rys.5. Rozkład harmoiczych prdu zasilajcego układ apdowy DC.

5 Zeszyty Problemowe Maszyy Elektrycze Nr 7/5 69 Na rysukach 6, 7 i 8 zilustrowao w sposób graficzy widma rozkładu harmoiczych apicia zasilajcego, prdu pobieraego przez układ apdowy AC oraz prdu filtra L-C. Wyliczoe zgodie ze wzorami () i () wskaiki THD zamieszczoo w tabeli 5..4 Widmo apicia 6 kv (U) redia Ir/I 4 3 Widmo prdu I (Ip7) redia Ur/U redia Ir/I rzd harmoiczej r Rys.6. Rozkład harmoiczych apicia zasilajcego apd AC. 4 3 Widmo prdu (Ip9) rzd harmoiczej r Rys.7. Rozkład harmoiczych prdu pobieraego przez apd AC rzd harmoiczej r Rys.8. Rozkład harmoiczych prdu pobieraego przez filtr L-C. Wskaiki THD dla prdu odbioru zespołów apdowych (tabela 5) s porówywale dla silika prdu stałego i asychroiczego. Jedak peły obraz zawartoci harmoiczych uzyskuje si dla stau wartoci bezwzgldych składowych rzdu r = 3, 5, 7 i, co przedstawioo w prawej czci tabeli 5. Sposób obliczeia składowych harmoiczych prdów dla zaej wartoci THD I oraz okreloego widma rozkładu (odpowiedio rys. 5 i 7) moliwy jest a podstawie zaleoci (8) i (9): - warto pierwszej harmoiczej prdu odbioru () : 3 () = I (8) + THD I - wartoci wyszych harmoiczych Ir / I ( r ) = (9) () dla r = 3, 5, 7 i (rys. 5 i 7). 3 Rodzaj apdu walcarki Tyrystorowy prdu stałego Asychroiczy z przemieikiem czstotliwoci DTC THD U Tabela 5. Wybrae parametry jakoci eergii elektryczej apdów walcarki Wskaiki THD THD THD I Wartoci skutecze harmoiczych prdu () (3) (5) (7) () 4,36 37,,6 66,8,7 56,7 3,3 5,,75 4,5,93 8,6,6 3, 3, 6,5 5. Wioski Na podstawie zaprezetowaych bada pomiarowych dotyczcych kształtu i wartoci api oraz prdów dla obu apdów, przy jedoczesym wykorzystaiu arzdziowych programów komputerowych DASYLab i MATLAB wykoao obliczeia mocy czyych, bierych, pozorych i odkształceia. Program szybkiej trasformaty Fouriera FFT umoliwił obliczeia charakterystyczych wskaików zawartoci harmoiczych dla mierzoych sygałów. Uzyskae wyiki potwierdzaj zasado zastpieia tyrystorowego apdu prdu stałego

6 7 Zeszyty Problemowe Maszyy Elektrycze Nr 7/5 apdem prdu przemieego, gdy ograicza to skutki egatywego oddziaływaia a przemysłow sie zasilajc. Podstawowe zalety apdu falowikowego DTC w aspekcie poprawy waruków eksploatacji wyikajcych z polepszeia parametrów jakoci pobieraej eergii elektryczej, zwizae s: ) ze zaczcym ograiczeiem poboru mocy bierej przy zachowaiu tych samych warto- ci mocy czyej i szerszego zakresu regulacji prdkoci obrotowej silika; ) ze zmiejszeiem mocy bierej baterii kodesatorów w gałzi filtra L-C przy zachowaiu tych samych parametrów dławika; 3) ze zmiejszeiem o połow poboru mocy deformacji; 4) z popraw współczyików mocy i cos dla apdu asychroiczego, które osigaj wartoci około,9 i s dwukrotie wiksze i dla apdu tyrystorowego prdu stałego; 5) ze zmiejszeiem o 6% wskaika zawartoci wyszych harmoiczych THD U a poziomie rediego apicia 6) z wyelimiowaiem 3-ej harmoiczej prdu, zaczcym ograiczeiem wartoci skuteczych podstawowej harmoiczej i wyszych rzdów r = 5, przy zwikszeiu udziału 7-ej harmoiczej. Obieie wskaika THD U a poziomie 6 kv wpływa bardzo korzystie a prac pozostałych odbiorów elektroeergetyczych zasilaych z tej samej rozdzieli. 6. Literatura []. Jagieła K., Gała M.: Filtracja pasywa wyszych harmoiczych. Materiały Semiarium Jako i Uytkowaie Eergii Elektryczej cz.6: Kompesacja mocy bierej i filtracja wyszych harmoiczych. AGH Kraków, Cetrum Promocji Jakoci i Efektywego Uytkowaia Eergii Elektryczej AGH []. Jagieła K., Rak J., Kpiski M.: Wskaiki THD dla tyrystorowego układu apdowego maszyy wycigowej. Mechaizacja i Automatyzacja Górictwa Nr 6/, s.9-3 [3]. Jagieła K., Rak J., Kpiski M.: Jako eergii elektryczej pobieraej przez due apdy. Napdy i Sterowaie. Nr / s. 5-9 [4]. Jagieła K., Rak J., Kpiski M.: Wybrae parametry okrelajce jako pobieraej eergii elektryczej przez odbiory elektroeergetycze duej mocy. lskie Wiadomoci Elektrycze r 5/999, s [5]. Kumierek Z.: Zastosowaie komputerowych techik pomiarowych do badaia jakoci eergii elektryczej. Jako i uytkowaie eergii elektryczej, Tom - Zeszyt, 995. [6]. Piróg S.: Eergoelektroika. Negatywe oddziaływaia układów eergoelektroiczych a ródła eergii i wybrae sposoby ich ograiczeia. Uczeliae Wydawictwa Naukowo-Dydaktycze AGH Kraków 998. Seria Wydawicza Komitetu Elektrotechiki PAN Postpy Napdu Elektryczego. [7]. Rozporzdzeie Miistra Gospodarki i Pracy z d...4 3w sprawie szczegółowych waruków przyłczeia podmiotów do sieci elektroeergetyczej, ruchu i eksploatacji tych sieci. Dz.U. 5, Nr poz.6 [8]. Strzelecki R., Suproowicz H.: Filtracja harmoiczych w sieciach zasilajcych prdu przemieego. Toru 998, Wyd. Adam Marszałek.