5.6. UKŁADY ZASILANIA Z PRZEKSZTAŁTNIKAMI

Transkrypt

1 5. Zasilanie odbiorników energii elektrycznej UKŁADY ZASILANIA Z PRZEKSZTAŁTNIKAMI Wiele urządzeń elektrycznych - czerpiąc energię z sieci elektroenergetycznej prądu przemiennego - nie jest zasilanych z niej bezpośrednio, lecz poprzez przekształtniki. Dzięki temu można uzyskać: - nieregulowane napięcie stałe (stabilizowane lub nie), - nieregulowane, o stabilizowanej amplitudzie (albo wartości skutecznej) oraz częstotliwości, napięcie przemienne, - regulowane napięcie stałe, - regulowaną wartość skuteczną prądu przemiennego, przy niezmiennej częstotliwości, - regulowaną wartość skuteczną i częstotliwość prądu (napięcia) przemiennego. Obecnie stosuje się prawie wyłącznie przekształtniki energoelektroniczne. Można je spotkać niemal na każdym kroku: w transporcie dalekim i bliskim, w przemyśle ciężkim i lekkim, w budownictwie, w rolnictwie, w przemyśle rolno-spożywczym, w gospodarstwach domowych. Wyparły, stosowane wcześniej, przekształtniki z zaworami rtęciowymi, przetwornice i złożone układy elektromaszynowe oraz wzmacniacze magnetyczne. Stosowanie przekształtników energoelektronicznych przyczynia się do mniejszego zużycia energii elektrycznej, zwiększa możliwości regulacyjne układów, ułatwia eksploatację urządzeń. Przebiegi czasowe napięć i prądów uzyskiwanych w przekształtnikach energoelektronicznych nie są jednak idealne (prąd stały ma tętnienia, a przemienny znacznie odbiega kształtem od sinusoidy), co wpływa m.in. na zwiększenie strat mocy w materiałach ferromagnetycznych. Prądy pobierane z sieci elektroenergetycznej są również odkształcone, a moc bierna związana z harmoniczną podstawową prądu - powiększona, szczególnie przy nagłych zmianach wysterowania tyrystorów. Spadki napięcia, pochodzące od dodatkowych składników harmonicznych prądu płynącego w sieci, powodują odkształcenie napięcia zasilającego inne odbiory; stwarzają też niebezpieczeństwo rezonansu prądów w obwodach z pojemnościami V_ (PKP) 750 V_ (metro) 600 V_ (tramwaj) Rys Schemat układu zasilania sieciowego odbiorów trakcyjnych prądu stałego: l - układ zastępczy części SEE, 2 - transformator WN/SN, 3 - linia elektroenergetyczna zasilająca podstację trakcyjną, 4 - podstacja trakcyjna z zespołami prostownikowymi, 5 - sieć trakcyjna prądu stałego, 6 - odbiory trakcyjne Przykładem urządzeń zasilanych zbiorowo energią elektryczną w przekształconej formie są odbiorniki pobierające energię z sieci trakcyjnej prądu stałego. Schemat układu pokazano

2 168 Zasady energoelektryki na rysunku Jeśli silniki trakcyjne pracują tu w układzie klasycznym (rozruch oporowy), to można przyjąć, że składowa zmienna prądu w sieci trakcyjnej nie występuje. W prądach, które płyną w przewodach linii elektroenergetycznej zasilającej podstację (i R, i S, i T ), występują - oprócz składowej podstawowej - harmoniczne pochodzące od układu prostownika, o częstotliwościach f n ( n) = f s, = l m ± 1 gdzie: f s - częstotliwość sieciowa, m - pulsowość układu prostownikowego. n, l = 1, 2,..., (5.29) Rola przekształtników w trakcji elektrycznej nie kończy się jednak na zasilaniu sieci trakcyjnej, poprzez prostowniki, z sieci elektroenergetycznej. Na pojazdach montowane są tzw. trakcyjne napędy przekształtnikowe, w skład których wchodzą przekształtniki (z filtrami i dławikami) oraz silniki trakcyjne prądu stałego lub przemiennego. Odnosi się to zarówno do systemów trakcyjnych z siecią prądu stałego, jak i przemiennego. Rys Różne systemy zasilania i sterowania silników trakcyjnych na kolejach elektrycznych: a) sieć trakcyjna prądu stałego, b) sieć trakcyjna prądu przemiennego o częstotliwości przemysłowej 50 Hz, c) sieć trakcyjna prądu przemiennego o częstotliwości obniżonej 16 2 / 3 Hz; SEE - system elektroenergetyczny, EK - elektrownia kolejowa (turbina - generator - transformator), C - zespół przemiennika częstotliwości, P - zespół prostownika niesterowanego, F - falownik, K - przerywacz, inaczej: zespół kluczujący, chopper, PS - zespół prostownika sterowanego, TR - transformator regulacyjny, RR - rezystory rozruchowe, M - zespół silników trakcyjnych

3 5. Zasilanie odbiorników energii elektrycznej 169 W Europie można spotkać na kolejach następujące systemy zasilania i sterowania silników trakcyjnych (rys. 5.16): al) sieć trakcyjna prądu stałego, silniki trakcyjne prądu stałego, rozruch oporowy (rezystorowy), a2) sieć, silniki - jw., rozruch impulsowy, a3) sieć - jw., silniki trakcyjne prądu przemiennego (indukcyjne), bl) sieć trakcyjna prądu przemiennego o częstotliwości przemysłowej 50 Hz, silniki trakcyjne prądu stałego (na prąd tętniący), b2) sieć - jw., silniki trakcyjne prądu przemiennego (indukcyjne), cl) sieć trakcyjna prądu przemiennego o obniżonej częstotliwości 16 2/3 Hz - zasilana z SEE (l -l, 0-0) albo z elektrowni kolejowej (l -1, 0-0), silniki trakcyjne szeregowe (jednofazowe), c2) sieć - jw., silniki trakcyjne prądu przemiennego (indukcyjne). Przekształtniki instalowane na pojazdach (warianty: a2, a3, b1, b2, c2) powodują odkształcenia prądu w sieci trakcyjnej i prądów w sieci elektroenergetycznej. Układ rozruchu impulsowego z chopperem, czyli przerywaczem stałoprądowym K (rys. 5.16a, wersja a2), wprowadza tętnienia prądu obciążenia prostownika z częstotliwością f p. Na skutek nieliniowości obwodu, pojawiają się też składowe okresowe prądu o częstotliwościach będących podwielokrotnościami f p. W sieci trakcyjnej występują więc harmoniczne i podharmoniczne prądu o częstotliwościach 1 1 f ( k ) = k f p, k =...,,, 1, 2,.... (5.30) 3 2 Z analizy harmonicznej przebiegów wynika, że w sieci elektroenergetycznej pojawią się dodatkowe harmoniczne prądu o częstotliwościach f ( k, n) = k f p ± n f, n = l m ± 1, s 1 1 k =...,,, 1, 2,..., 3 2 l = 1, 2,..., (5.31) czyli każda harmoniczna prądu i d (t) rzędu k wytwarza widmo harmonicznych w sieci zasilającej o częstotliwości f s, którego prążki są położone symetrycznie po obu stronach punktu k f p, w odległości ± n f s (n = 1, 2,... ), jak na rysunku Rys Harmoniczne prądu I (k, n) w sieci elektroenergetycznej o częstotliwości f s, pochodzące od harmonicznej prądu I d(k) o częstotliwości k f p w sieci trakcyjnej

4 170 Zasady energoelektryki Odkształcenia napięć sieciowych w układach z bezkomutatorowymi silnikami trakcyjnymi (indukcyjnymi lub synchronicznymi), czerpiącymi energię z sieci trakcyjnej prądu stałego za pośrednictwem falowników, mają podobny charakter jak przy zasilaniu impulsowym silników trakcyjnych prądu stałego. Silniki bezkomutatorowe są w eksploatacji trwalsze od powszechnie stosowanych w trakcji elektrycznej silników szeregowych prądu stałego oraz przemiennego, lecz współpracujące z nimi falowniki są dość kosztowne i trudne do wykonania. Istotne znaczenie mają też: ciężar i koszt urządzeń filtrujących. Wyrażenie (5.3) może służyć za miarę odkształcenia napięcia w sieci elektroenergetycznej zasilającej trakcję elektryczną jedynie w układach z prostownikiem niesterowanym (rys. 5.16, warianty: a1, b1 i c1 ). W układach z dwu- lub trzykrotnym przekształcaniem napięcia (rys. 5.16, warianty: a2, a3, b2 i c2) liczba wyższych harmonicznych jest znacznie większa niż w układach z przekształcaniem jednokrotnym, którym odpowiada wyrażenie (5.3). Zjawiska rezonansowe, powstające przypadkowo przy częstotliwościach odpowiadających składnikom widma prądu, mogą zwiększać odkształcenie napięcia w sieci elektroenergetycznej. Wyjaśniono to na rysunku 5.18, przedstawiającym dwa przypadki obciążeń w węźle sieci: a) bez pojemności, kiedy U 1 = jν X I ( ν ) 1(1) ( ν ), b) z pojemnością, kiedy I 1( ν ) U 1 ( ν ) = jν X 1(1) I 1( ν ) = jν X 1(1) I ( ν ), I przy czym, gdy powstaje rezonans prądów, to I 1 >> I ( ν ) (ν ). ( ν ) Rys Schematy zastępcze sieci elektroenergetycznej dla wyższych harmonicznych prądu obciążenia, gdy w pobliskim węźle zasilającym: a) nie ma odbioru pojemnościowego, b) jest odbiór pojemnościowy Ponieważ wartości prądów pobieranych z sieci trakcyjnej są znaczne, sieć zaś z zasady jest rozległa, więc wartości napięcia w różnych jej punktach mogą zmieniać się w znacznym stopniu. Układy zasilające silniki trakcyjne na pojazdach muszą być zatem odporne również na tego rodzaju zmiany.

5 5. Zasilanie odbiorników energii elektrycznej ZASILANIE REZERWOWE I AUTONOMICZNE UKŁADY ZASILANIA ENERGIĄ ELEKTRYCZNĄ Urządzenia elektryczne - zainstalowane w środkach transportu o trakcji spalinowej (samochody, samoloty, statki napędzane silnikami spalinowymi), spalinowo-elektrycznej (lokomotywy i wagony silnikowe spalinowe), parowej (statki napędzane turbinami parowymi) lub akumulatorowej (wózki i pojazdy akumulatorowe) albo w przyczepach samochodowych i doczepnych wagonach pasażerskich - czerpią energię z własnych (pokładowych) źródeł. Wiele innych urządzeń, normalnie zasilanych z sieci elektroenergetycznych, ze względu na wymaganą ciągłość pracy musi mieć zapewnione zasilanie rezerwowe z miejscowego źródła energii, na wypadek awarii w sieci. W tych przypadkach, źródłami energii w długich okresach czasu są zazwyczaj maszyny elektryczne (prądnice), napędzane silnikami lub turbinami spalinowymi, ewentualnie cieplnymi, a w krótkich okresach - akumulatory (samochodowe, wagonowe, stacyjne). W układach zasilających znajdują się często regulatory napięcia lub przekształtniki energoelektroniczne, nazywane też przetwornicami półprzewodnikowymi. Podstawowym źródłem energii elektrycznej w samochodzie jest prądnica, napędzana, ze zmieniającą się w czasie jazdy prędkością obrotową, przez silnik spalinowy pojazdu. Z prądnicą współpracuje regulator napięcia, który stabilizuje wartość średnią napięcia wyjściowego przez wywoływanie skokowych, cyklicznie powtarzających się zmian rezystancji obwodu wzbudzenia prądnicy. W samochodach stosuje się prądnice prądu stałego lub przemiennego. Te ostatnie, z wmontowanym na stałe prostownikiem, popularnie nazywane są alternatorami. Alternatory, szczególnie przy większych mocach, mają lepsze wskaźniki eksploatacyjne od prądnic prądu stałego, co w głównej mierze jest wynikiem likwidacji komutatora i przyrządu szczotkowego ze szczotkami. Prądnica zasila odbiory i akumulator (rys. 5.19), który powinien pracować jako źródło energii tylko wówczas, gdy prądnica nie jest napędzana lub wytwarza zbyt niskie napięcie (przy małej prędkości obrotowej silnika pojazdu). Głównym zadaniem akumulatora w samochodzie jest zasilanie rozrusznika elektrycznego, który napędza wał korbowy silnika spalinowego w okresie rozruchu. Przepływ prądu z akumulatora do prądnicy jest uniemożliwiony przez tzw. wyłącznik prądu zwrotnego (prądnicy prądu stałego) lub prostownik (alternatora). W chwili, gdy napięcie prądnicy przekracza wartość jałowego napięcia akumulatora U 0 (rys. 5.20), przejmuje ona całe obciążenie i dodatkowo doładowuje akumulator. Jeśli moc włączonych odbiorów jest duża, to zarówno prądnica, jak i akumulator pracują jako źródła (równolegle). Stan ten nie może jednak trwać zbyt długo, by nie doszło do nadmiernego rozładowania akumulatora. Rys Schemat ideowy zasilania elektrycznego w samochodzie: G - źródło podstawowe (prądnica z regulatorem napięcia), Z - układ zaworowy (diodowy lub z wyłącznikiem prądu zwrotnego)

6 172 Zasady energoelektryki Rys Akumulator jako rzeczywiste źródło napięcia w stanie: a) ładowania, b) obciążenia W wagonach pasażerskich stosuje się specjalne prądnice prądu stałego, nazywane prądnicami Rosenberga, które wytwarzają napięcie o stałej wartości i o stałej biegunowości (po przekroczeniu określonej wartości prędkości obrotowej wirnika i niezależnie od jej zwrotu). Prądnice te współpracują z bateriami akumulatorów, podobnie jak prądnice samochodowe - z pojedynczym akumulatorem. Zasilanie odbiorów prądu stałego ze źródła podstawowego, z dołączoną równolegle do niego baterią akumulatorów, nosi miano pracy buforowej, a zasilanie z samej baterii akumulatorów - pracy bateryjnej. Przy przejściu akumulatora ze stanu ładowania (rys. 5.20a) do stanu obciążenia (rys. 5.20b) występuje skokowa zmiana napięcia od wartości U l do wartości U 2. w ( i i ) U = U U = R +, (5.32) gdzie: R w - rezystancja wewnętrzna akumulatora, i ład - prąd ładowania akumulatora, i obc - prąd obciążenia (wyładowania) akumulatora. 1 2 Skok napięcia na zaciskach akumulatora jest więc tym mniejszy, im mniejsze są prądy ładowania i następującego po nim obciążenia. Jałowe napięcie akumulatora jest miarą jego naładowania i wpływa na wartość prądu ładowania. W instalacji elektrycznej samochodu lub wagonu pasażerskiego dopuszcza się duże wahania napięcia. Zmiany napięcia akumulatorów przenoszą się bezpośrednio do obwodu odbiorczego. W przypadku urządzeń telekomunikacyjnych i komputerów wymaga się bezprzerwowego zasilania napięciem o praktycznie stałej wartości (o małych wahaniach). Podstawowym źródłem energii elektrycznej w tzw. siłowni telekomunikacyjnej jest sieć elektroenergetyczna, a rezerwowym - baterie akumulatorów lub agregat prądotwórczy (po dłuższej przerwie w zasilaniu sieciowym). Napięcie wyjściowe siłowni telekomunikacyjnej musi mieć stałą wartość - niezależnie od tego, skąd pobiera ona energię. Ewentualne wahania napięcia w sieci przy zmianach rodzaju pracy (w chwilach zaniku oraz powrotu zasilania sieciowego), nie mogą wywoływać błędnego zadziałania urządzeń telekomunikacyjnych. Stosuje się układy zasilania gwarantowanego (podtrzymujące i stabilizujące napięcie) o dużej niezawodności - zasilacze bezprzerwowe (UPS, z ang. Uninterruptible Power System) z bateriami akumulatorów oraz agregatem prądotwórczym i SZR (samoczynnym załączaniem rezerwy). Przykładowe rozwiązania pokazano na rys i obc ad

7 5. Zasilanie odbiorników energii elektrycznej 173 (po < 5 min) UPS Rys Schemat współczesnej siłowni telekomunikacyjnej prądu przemiennego; AP - agregat prądotwórczy, ZP - zespół prostownikowy, BA - bateria akumulatorowa, FT - falownik tyrystorowy, LO - łącznik obejściowy, UPS - zasilacz bezprzerwowy rozdzielnia główna agregat prądotwórczy G SZR rozdzielnia rezerwowego zasilania UPS i bat. UPS i bat. odbiory kat. II odbiory kat. I Rys Schemat zasilania gwarantowanego w układzie rozproszonym (z indywidualnymi zasilaczami UPS)

8 174 Zasady energoelektryki 5.8. PRZEKAŹNIKOWO-STYCZNIKOWE UKŁADY STEROWANIA ENERGOELEKTRYCZNYCH URZĄDZEŃ ODBIORCZYCH NISKIEGO NAPIĘCIA Układy przekaźnikowo-stycznikowe stosuje się przede wszystkim w obwodach zasilania rozdzielnic niskiego napięcia i w zautomatyzowanym napędzie elektrycznym: w rozdzielnicach - do samoczynnego załączania rezerwy (SZR); w napędzie - do sterowania procesami: rozruchu, hamowania, nawrotu (zmiany kierunku wirowania) lub przechodzenia na inną charakterystykę naturalną (w celu zmiany prędkości pracy ustalonej). Włączanie i wyłączanie styczników może być dokonywane ręcznie (za pomocą przycisków sterujących) lub samoczynnie, tzn. w uzależnieniu od zmian wartości określonych wielkości fizycznych. W układach napędowych zmienne te są związane bezpośrednio (prąd, napięcie, częstotliwość, prędkość) lub pośrednio (czas, położenie mechanizmu napędzającego) ze stanami pracy silników. Sterowanie automatyczne odbywa się zwykle wg funkcji jednej z wielkości zmiennych. Przy przekraczaniu wartości progowych tej zmiennej następują w układzie kolejne przełączenia styczników, wywołujące zmiany struktury obwodu sterowanego (głównego). Zmianom struktury obwodów elektrycznych urządzeń napędowych towarzyszą skokowe zmiany wartości chwilowych prądu i momentu obrotowego silników. Wartości progowe kontrolowanej wielkości mogą być w przekaźnikach nastawiane, stosownie do potrzeb sterowania. W układach sterowania przekaźnikowo-stycznikowego stosuje się powszechnie przekaźniki elektromechaniczne. Są to przyrządy reagujące na określone zmiany wartości wielkości pobudzającej (wejściowej, sterującej) przełączeniem swego układu styków. Zestyki przekaźników wykorzystuje się wyłącznie w obwodach sterowania, cechuje je bowiem mała obciążalność. Działanie przekaźnika charakteryzuje określona zwłoka czasowa. Jeśli jest ona wynikiem celowych zabiegów konstrukcyjnych, przekaźnik nazywa się zwłocznym, a jeśli nie jest - bezzwłocznym. Ze względu na przeznaczenie przekaźniki dzielimy na pomiarowe i pomocnicze. Przekaźniki pomiarowe działają przy pewnej określonej wartości wielkości pobudzającej i mają z reguły podziałkę nastawień tej wielkości. Przekaźniki pomocnicze reagują na pojawienie się lub zanik wielkości pobudzającej i nie mają podziałki nastawień tej wielkości. Przekaźniki pomocnicze dzielą się na pośredniczące, czasowe i sygnałowe. Przekaźniki pośredniczące mają za zadania powtarzać bądź negować i zwielokrotniać sygnał wejściowy, przy czym moc obwodów sterowanych (wyjściowych) jest zwykle większa od mocy obwodu sterującego (wejściowego). Dodatkowa zadanie może polegać na galwanicznym rozdzieleniu torów prądowych: sterujących i sterowanych. Przekaźnik czasowy jest przekaźnikiem zwłocznym o nastawianym czasie działania. Przekaźniki sygnałowe posiadają sygnalizację zadziałania, kasowaną przez obsługę. Większość przekaźników elektromechanicznych pomocniczych, stosowanych w energoelektryce, stanowią przekaźniki elektromagnetyczne oraz czasowe o napędzie elektromagnesowym lub silnikowym. Przekaźniki elektromagnetyczne pośredniczące działają na tej samej zasadzie, co stycznik elektromagnesowy. W obwodach sterowania układów zautomatyzowanego napędu elektrycznego występują

9 5. Zasilanie odbiorników energii elektrycznej 175 cewki i zestyki przekaźników pomocniczych, cewki styczników i ich zestyki pomocnicze, zestyki przekaźników pomiarowych i zabezpieczeniowych, zestyki przycisków sterowniczych, wyłączników drogowych itp. Dla przejrzystości, schematy obwodów sterowania przedstawia się w postaci obwodowej (rozwiniętej), jak na rys. 5.23b. Analizę i syntezę nieskomplikowanych obwodów sterowania prowadzi się w sposób intuicyjny, a bardziej złożonych - przy zastosowaniu metod teorii układów przełączających (teorii automatów). W obwodach głównych układów zautomatyzowanego napędu elektrycznego występują zestyki łączników ręcznych, bezpieczniki, zestyki główne styczników, uzwojenia przekaźników pomiarowych i zabezpieczeniowych, uzwojenia silników oraz ich zwalniaków (luzowników). Zadanie zwalniaków polega na sterowaniu hamulcami mechanicznymi silników (np. wciągarek), są więc równocześnie z nimi włączane i wyłączane. Cewki zwalniaków, w zależności od wykonania, mogą być zasilane prądem stałym lub przemiennym oraz łączone szeregowo lub równolegle z uzwojeniem obwodu podstawowego silników. Dla przejrzystości, w pokazanych tutaj schematach obwodów głównych napędu elektrycznego, pominięto zestyki łączników ręcznych, bezpieczniki, cewki przekaźników oraz zwalniaków. Rys Schematy rozwinięte sterowania silnika indukcyjnego za pomocą stycznika elektromagnesowego: a) obwód główny, b) obwód sterujący Rys Obwody główne wybranych układów stycznikowych do rozruchu rezystorowego (oporowego) silników elektrycznych: a) bocznikowych prądu stałego (A1 i B2 albo C2 - zaciski uzwojenia twornika z dołączonym uzwojeniem komutacyjnym oraz, jeśli występuje, kompensacyjnym; E1 i E2 - zaciski uzwojenia wzbudzającego bocznikowego), b) szeregowych prądu stałego (A1, B2, C2 - jw.; D1 i D2 - zaciski uzwojenia wzbudzającego szeregowego), c) indukcyjnych pierścieniowych (U, V, W - zaciski uzwojenia stojana w układzie gwiazdowym; K, L, M - końcówki uzwojenia wirnika)

10 176 Zasady energoelektryki Układy przekaźnikowo-stycznikowego sterowania napędem elektrycznym należą do układów wielotaktowych (sekwencyjnych). Powtarzanie się niektórych sekwencji łączeniowych w obwodach głównych różnych układów napędu elektrycznego ułatwia projektowanie schematów obwodów sterowania; za przykład mogą służyć układy pokazane na rys. 5.24, w których załączanie styczników przy rozruchu silników powinno następować w kolejności zgodnej z ich numeracją (1S, 2S, 3S). Uzyskanie określonej kolejności przełączania zestyków głównych styczników (pod wpływem zmian kontrolowanej wielkości fizycznej) wiąże się z realizacją uzależnień logicznych i koordynacją czasów działania poszczególnych elementów układu sterowania (wejściowych, wyjściowych i pośredniczących), co unaoczniają schematy na rys i Rys Sterowanie rozruchem silników prądu stałego wg funkcji czasu: a) schemat rozwinięty obwodu sterującego (obwód główny na rys. 5.24a, b); b) wykresy czasowe działania elementów obwodu sterującego, uwzględniające opóźnienia związane z czasami własnymi tych elementów; c) objaśnienie do wykresów czasowych dotyczące sposobu oznaczania stanów pracy elementów; W, Z - przyciski sterujące, S - styczniki elektromagnesowe, PC - przekaźniki pomocnicze czasowe (z nastawianymi opóźnieniami - odpowiednio: T 1 i T 2 - przy wzbudzaniu), PP - przekaźnik pomocniczy pośredniczący; cyfry przed S i PC - numery aparatów; indeksy po S, PC i PP - numery zestyków

11 5. Zasilanie odbiorników energii elektrycznej 177 Rys Sterowanie rozruchem silników prądu stałego wg funkcji prądu: a) schemat rozwinięty obwodu sterującego (obwód główny - jak na rys. 5.24a, b - z cewką przekaźnika pomiarowego prądowego PI, połączoną szeregowo z uzwojeniem twornika); b) wykresy czasowe działania elementów obwodu sterującego, uwzględniające opóźnienia związane z czasami własnymi tych elementów. Symbole elementów - jak na rys. 5.25