OCENA JAKOŚCI ZASILANIA SILNIKÓW INDUKCYJNYCH Z PRZEMIENNIKÓW CZĘSTOTLIWOŚCI ŚREDNIEGO NAPIĘCIA

Transkrypt

1 Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr /204 (0) 89 Tomasz Kubera, Polski Koncern Naftowy ORLEN S.A., Płock Zbigniew Szulc, Politecnika Warszawska, ISEP ZNE, Warszawa OCENA JAKOŚCI ZASILANIA SILNIKÓW INDUKCYJNYCH Z PRZEMIENNIKÓW CZĘSTOTLIWOŚCI ŚREDNIEGO NAPIĘCIA THE QUALITY ASSESSMENT OF AN INDUCTION MOTOR SUPPLY FROM FREQUENCY CONVERTER WITH MEDIUM VOLTAGE Streszczenie: Silniki indukcyjne o mocac powyżej 250 kw zasilane są najczęściej napięciem znamionowym 6000 V. Wartość tego napięcia była przyczyną, że do końca tego wieku silniki te rzadko pracowały z regulacją prędkości obrotowej przy pomocy przekształtników energoelektronicznyc. Obecnie, dzięki zastosowaniu półprzewodników typu SGTC, IGCT, HVTGBT są produkowane przemienniki częstotliwości średniego napięcia (CMV) []. Autorzy na podstawie własnyc prac projektowyc, badań oraz pomiarów, zaproponowali ocenę jakości zasilania silników indukcyjnyc z CMV. Abstract: Inductions motor wit power above 250 kw are usually supplied by rated voltage 6000 V. Tis value was te main reason tat till te end of tis century induction motors rarely worked wit rotational speed regulation using power electronics converters. At present, due to using SGTC, IGCT, HVTGBT semiconductor, tere are produced medium voltage frequency converters (CMV) []. Autors, on te grounds of teir projects, researces and measurements, proposed quality assessment of induction motors wit CMV. Słowa kluczowe: przemienniki częstotliwości średniego napięcia, silnik indukcyjny Keywords: medium voltage converter, induction motor. Wstęp W układac napędowyc z silnikami indukcyjnymi o mocac znamionowyc powyżej 250 kw i napięciu znamionowym 6000V, coraz częściej do regulacji prędkości obrotowej stosuje się przemienniki częstotliwości średniego napięcia (PCSN). Stało się to możliwe dzięki opracowaniu i wdrożeniu do praktyki przemysłowej elementów półprzewodnikowyc średniego napięcia typu SGCT, IGCT, HVIGBT. Autorzy na podstawie własnyc prac projektowo-aplikacyjnyc oraz badań i pomiarów zaproponowali ocenę układów napędowyc z silnikami indukcyjnymi, zasilanymi z PCSN. Do oceny zostały wzięte następujące zagadnienia: współczynniki THDU i THDI przebiegów wyjściowyc PCSN; współczynniki stromości narastania napięcia (SNU) wyjściowego napięcia PCSN; wpływ tyc współczynników na dobór kabli zasilającyc silnik i strat mocy w układzie napędowym. Autorzy dokonali oceny (z uwzględnieniem topologii i zasady działania) PCSN pracującyc w krajowyc aplikacjac napędowyc. W krajowyc aplikacjac PCSN jest już zastosowanyc kilkadziesiąt (powyżej 50 szt.) tego typu urządzeń z obwodem DC (prądu stałego) typu źródło prądu (falowniki prądowe). Od kilku lat coraz częściej pojawiają się aplikacje układów napędowyc z PCSN, w któryc obwód DC jest typu źródło napięcia (falowniki napięciowe). Te drugie mają często rozbudowane topologie o carakterze przemienników wielopoziomowyc. 2. Opis badanyc wielkości wyjściowyc PCSN Przebiegi cwilowyc wartości napięć i prądów wyjściowyc są odkształcone od przebiegów sinusoidalnyc. Stopień ic odkształcenia najczęściej carakteryzuje się poprzez podanie współczynników THD, dla prądu (dodatkowo litera na końcu (I), a dla napięcia (U)). Opis tyc współczynników jest następujący: n 2 Σ I THDI = () I przy czym: I wartość skuteczna pierwszej armonicznej prądu; I wartość skuteczna -tej armonicznej prądu. Podobnie dla drugiego współczynnika:

2 90 Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr /204 (0) n 2 Σ2U THDU = (2) U U wartość skuteczna pierwszej armonicznej napięcia; U wartość skuteczna -tej armonicznej napięcia. Wartości THD mogą być wyrażane także w %. Przebiegi wyjściowe prądów i napięć są także opisywane przez stromości narastania sygnału. Dla celów eksploatacyjnyc ważniejsza jest stromość narastania przebiegu napięcia w postaci: du ( t) SNU = (3) V dt µ s Ponieważ wartość SNU zależy od cwili czasowej przebiegu napięcia, więc najczęściej podaje się jej wartość maksymalną: SNU max du ( t) = dt V max µ s (4) Wartości powyższyc współczynników mają duży wpływ na parametry kabli zasilającyc oraz strat mocy w izolacji kabli oraz silnika. Jeżeli przyjąć scemat zastępczy izolacji kabla pomiędzy PCSN, a silnikiem w postaci równoległego połączenia rezystancji R i oraz pojemności C i to prąd płynący przez tą pojemność dla maksymalnej wartości SNU max wynosi: du ( t) ii = Ci (5) dt max Dla typowego kabla średniego napięcia o długości 00m pojemność C i 0,00µF, (pojemność doziemna lub międzyfazowa) bez ekranującego oplotu. Wartość prądu i Z w impulsie wyniesie dla SNU max =500V/µs: = 6 0, i Z 6 V F S i Z = 0,5A (6) Dla kabli silnikowyc odległości mogą być większe, a poprzez to pojemności też mogą mieć większe wartości. Również dla większyc wartości SNU>500 V/µs możliwa jest większa wartość prądu i Z. Oczywiście wartość tego prądu zależy także od impedancji wyjściowej PCSN. Prąd i Z może powodować dwa zjawiska groźne dla eksploatacji układu napędowego. Pierwsze to zakłócenia pola elektromagnetycznego w pobliżu tras kabli. Na podstawie prawa Biota-Savarta w odległości (r) od miejsca przepływu prądu i Z powstaje natężenie pola magnetycznego dh, którego wartość jest zależna wprost proporcjonalnie od wartości prądu i odwrotnie proporcjonalna od kwadratu odległości rozpatrywanego punktu. Znając współczynnik przenikalności magnetycznej µ środowiska można obliczyć strumień magnetyczny dφ, przenikający powierzcnię ds. Prąd i Z zmienia swą wartość tak, jak zmienia się wartość SNU. Jeżeli zmiana następuje w czasie dt, to zgodnie z prawem Faredaya indukuje się napięcie: dϕ e= (7) dt Gdy w tym rozpatrywanym punkcie znajduje się dowolny obwód przewodzący, to popłynie w nim prąd elektryczny. Wartość tego prądu może być na tyle duża, że zakłóci pracę urządzeń sterującyc, pomiarowyc lub kontrolnyc. Drugą wadą prądu i Z, szczególnie, gdy jego wartość jest duża w porównaniu z prądem płynącym przez izolację w warunkac znamionowyc (np. 6kV, 50 Hz) to grzanie się izolacji. Prowadzi to do miejscowego przebicia kabla (międzyfazowe lub doziemne przebicia). Drugim ważnym parametrem napięcia wyjściowego PCSN jest współczynnik THDU. Duża jego wartość (powyżej 20%) wskazuje na znaczne odkształcenie przebiegu wartości cwilowej. Oznacza to, że w przebiegu można wyróżnić przebiegi o wyższyc częstotliwościac niż podstawowa. Na podstawie rozkładu (Fouriera) funkcji okresowej odkształconej można wyróżnić przebiegi sinusoidalne o amplitudzie A i częstotliwości f. Przebieg pierwszej armonicznej (A, f ) najczęściej jest wyznaczana na etapie typu sterowania. Np. sterowanie skalarne przy zacowaniu stałego strumienia powoduje, że straty w obwodzie magnetycznym silnika zmieniają się w przybliżeniu:, f r P = Fe PFeN (8) f N Natomiast jeżeli przebieg napięcia zawiera jeszcze inne armoniczne (f ), to należy obliczyć straty mocy od każdej armoniczne. Oznaczając przez A amplitudę armonicznej f

3 Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr /204 (0) 9 skoro starty mocy w obwodzie magnetycznym wynoszą: 2,2 F = k A f (9) e Jeżeli tyc armonicznyc w przebiegu napięcia jest l, to każda jest przyczyną dodatkowyc strat, które sumarycznie wynoszą: P Fel = P Fe l (0) Trudnością w takim podejściu jest fakt, że dla różnyc armonicznyc współczynnik k może mieć różną wartość. Ogólnie można stwierdzić, że im więcej jest armonicznyc w przebiegu napięcia wyjściowego, tym większe są całkowite straty w obwodzie magnetycznym silnika. Współczynnik THDI prądu wyjściowego PCSN ma wpływ na straty mocy w silniku i kablac na ic rezystancjac. Odkształcony prąd wyjściowy PCSN płynąc przez kable do silnika posiada wartość skuteczną I RMS : n 2 I RMS = I które po przekształceniac: I n 2 I 2 2 RMS I + = I + ( THDI ) I () = (2) Prawidłowe przetwarzanie energii elektrycznej w mecaniczną następuje przy współdziałaniu napięcia na zaciskac silnika z pierwszą armoniczną prądu (I ). Całkowite straty mocy w rezystancjac (R) będą większe i wyniosą dla znamionowego punktu pracy: 2 [ ( THDI ) ] PCu = PCuN + (3) przy czym: P CuN straty mocy w rezystancjac przy sinusoidalnym prądzie o wartości znamionowej (I N ). Dlatego należy ograniczać wartość THDI prądu wyjściowego PCSN. 3. Topologie i parametry sygnałów wyjściowyc PCSN stosowanyc w eksploatacji Autorzy artykułu mieli możliwość badania sygnałów wyjściowyc (napięć i prądów) PCSN większości typów eksploatowanyc w kraju. Wprawdzie są to badania wyrywkowe, ale dają podstawy do ogólnej oceny różnyc topologii PCSN. Pierwsze badania PCSN w kraju wykonali na aplikacji stosującej na wyjściu przemiennika częstotliwości niskiego napięcia (wyjściowe napięcie znamionowe 690V transformator podwyższający o przekładni 0,69kV/6kV). Na rys. został przedstawiony oscylogram napięcia wyjściowego przemiennika na poziomie 690 V, a na rys. 2 napięcie strony wtórnej transformatora (napięcia przewodowe). Rys.. Oscylogram napięcia wyjściowego przemiennika częstotliwości niskiego napięcia Rys. 2. Oscylogram napięcia wyjściowego PCSN z tzw. podwójną transformacją bez filtru sinusoidalnego Przebieg tego napięcia jest bardzo zły i carakteryzuje się dużymi stromościami (większymi od 000V/µs). Wartość współczynnika THDU nie została zmierzona, a z kształtu napięcia trudno wyznaczyć jego wartość. W krajowym przemyśle istnieje kilka takic aplikacji, ale z filtrem sinusoidalnym na wyjściu przemiennika częstotliwości i dopiero potem zainstalowano podwyższający transformator. Przebieg prądu jest dobry, gdyż THDI jest rzędu kilkunastu % w punkcie znamionowym. Bez filtru sinusoidalnego taka aplikacja nie powinna mieć miejsca, gdyż kable i silniki szybko ulegną zniszczeniu (pierwsze takie aplikacje powodowały uszkodzenie silnika/przebicie izolacji) w ciągu 2 miesięcy pracy. Lepszym rozwiązaniem jest zastosowanie tzw. trójpoziomowego przemiennika częstotliwości. Na rys. 3 została przedstawiona topologia takiego przemiennika częstotliwości do zasilania silnika 2MW i napięciu znamionowym 2,kV.

4 92 Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr /204 (0) IGBT C C2 Rys. 3. Topologia PCSN trójpoziomowego M Rys. 6. Napięcie wyjściowe pięciopoziomowego PCSN Posłużył on do zasilania silnika syncronicznego dużej mocy (25 MW). Przebieg napięcia wyjściowego został przedstawiony na rys. 6. Na rys. 7 został przedstawiony kształt napięcia wyjściowego pięciopoziomowego PCSN tylko innego producenta. Rys. 4. Napięcie wyjściowe trójpoziomowego PCS Silnik posiada wzmocnioną izolację (klasa F), kable silnikowe są ekranowane. Nie zostały zmierzone współczynniki THDI i THDU. Na rys. 4 został przedstawiony oscylogram napięcia wyjściowego takiego PCSN. Rozbudowa PCSN w kierunku większej ilości poziomów napięcia doprowadziła do topologii pięciopoziomowego przemiennika częstotliwości. Topologia tego przemiennika została przedstawiona na rys. 5. Rys. 7. Napięcie wyjściowe pięciopoziomowego PCSN z innymi filtrami wyjściowymi niż w topologii z rys. 5 Na wyjściu tego PCSN są rozbudowane filtry wyjściowe. Dla przebiegu na rys. 7 zmierzono: 500V = dt max THDI 9% Obliczona na podstawie przebiegu (graficznie) wartość THDU wynosi ok. 5%. Przebiegi napięć obu przemienników powinny wg autorów prowadzić do stosowania kabli ekranowanyc. W praktyce są stosowane jeszcze siedmiopoziomowe PCSN (liczbę poziomów autorzy podają dla dodatnic napięć). Na rys. 8 została przedstawiona taka topologia PCSN, która daje takie możliwości. Rys. 5. Topologia przemiennika częstotliwości pięciopoziomowego PCSN

5 S Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr /204 (0) 93 +0k [V] UL(CH)[V] UL2(CH2)[V] (CH5)[V] IL(CH7)[A] IL2(CH8)[A] IL3(CH9)[A] IinL(CH0)[A] IinL2(CH)[A] V ) V /DI k ( H C L U CH CH0-0k -50ms -47,5ms -45ms -42,5ms -40ms -37,5ms -35ms -32,5ms -30ms -27,5ms -25ms Rys. 8. Topologia siedmiopoziomowego PCSN z dwupoziomowymi przemiennikami jednofazowymi Oscylogram napięcia i prądu wyjściowego został przedstawiony na rys. 9. Rys. 0. Napięcie i prąd wyjściowy siedmiopoziomowego PCSN z trójpoziomowymi przemiennikami jednofazowymi Taki PCSN zawiera jednak mniej pojedynczyc przemienników w jednej fazie. Objętość, ciężar i wymiary takiego PCSN są mniejsze. Zmierzono stromość narastania i THDI, które wynoszą: 600V = dt max THDI 2% Obie topologie wymagają więc stosowania ekranowanyc kabli silnikowyc. Inną topologię, opartą o obwód DC typu źródło prądu, przedstawia rys.. SGCT L SGCT 3xL Rys. 9. Napięcie i prąd wyjściowy PCSN o topologii z rys. 8 Z przebiegów prądów i napięć wynika, że są one dobrze zbliżone do sinusoidy. Zmierzone wartości THD dla konkretnego przebiegu badanego przez autorów wynoszą: THDU 5% THDI 3% Stromość narastania: dt max 450V Istnieją w praktyce topologie podobne jak na rys. 8, ale zamiast pojedynczego przemiennika częstotliwości dwupoziomowego zastosowany został przemiennik częstotliwości trójpoziomowy (topologia jak na rys. 3). Wówczas kształt napięcia i prądu wyjściowego jest przedstawiony na rys. 0. 3xC Rys.. Topologia PCSN z obwodem DC typu źródła prądowego Kształt przebiegów wyjściowyc prądu i napięcia został przedstawiony na oscylogramie (rys. 2). NAPIĘCIE PRĄD Rys. 2. Napięcie i prąd wyjściowy PCSN o topologii z rys. 3xC2 M

6 94 Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr /204 (0) Zmierzone wartości współczynników wynoszą: 50V = dt max THDI = 8% THDU = 6% Ten przemiennik nie wymaga stosowania kabli ekranowanyc, a silnik nie musi posiadać klasy izolacji co najmniej F i izolowanyc łożysk. 4. Podsumowanie i wnioski Wszystkie powyższe wyniki badań, cociaż czasem są wyrywkowe [4] [5] [6], upoważniają do następującyc podsumowań i wniosków: - kształty przebiegów cwilowyc napięć i prądów wyjściowyc PCSN mają podstawowe znaczenie dla doboru kabli zasilającyc silnik oraz zastosowanego silnika; - duże wartości współczynnika SNU (większe od 400V/µs 500V/µs) wymagają stosowania kabli ekranowanyc, które dla odległości powyżej 00 m mogą wymagać dużyc nakładów finansowyc; - duże wartości współczynników THDU i THDI zwiększają straty mocy w kablac i silniku, co przy dużyc mocac napędu w czasie eksploatacji powoduje zmniejszenie sprawności energetycznej nawet o %, a przy długic czasac eksploatacji w ciągu roku (np. 8000) daje duże straty energii; - powyższe zjawiska energetyczne mogą zmniejszać czas życia tecnicznego całego napędu. 5. Literatura []. Koczara W., Szulc Z.: Nowe topologie i sterowanie obwodów wejściowyc PCSN umożliwiające ic szerokie zastosowanie. Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne, nr 79, [2]. Kubera T., Szulc Z.: Poprawa efektywności energetycznej układu napędowego pompy wody zasilającej dużej mocy. Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne, nr 78, [3]. Koczara W., Szulc Z.: Poprawa efektywności energetycznej układu napędowego z silnikiem indukcyjnym średniego napięcia poprzez jego zasilanie z przemiennika częstotliwości. Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne, nr 73, [4]. Siedlecki S., Szulc Z.: Dobór i efekty tecniczno-ekonomiczne regulowanyc układów napędowyc z PCSN 6kV do maszyn przepływowyc na przykładzie bloku 200MW. XI Międzynarodowa Konferencja Naukowo-Tecniczna Elektrownie Cieplne, Słok k. Bełcatowa, 5-7 marca 203. [5]. Kubera T., Szulc Z.: Badania eksploatacyjne układów napędowyc z przemiennikiem częstotliwości średniego napięcia. Praca w ramac projektu badawczego nr 339/BT02/20, Warszawa