WPŁYW STRUKTURY OBWODU WEJŚCIOWEGO PRZEMIENNIKA CZĘSTOTLIWOŚCI NA EFEKTYWNOŚĆ ENERGETYCZNĄ UKŁADU NAPĘDOWEGO

Transkrypt

1 Zeszyty Problemowe Maszyy Eletrycze Nr 73/ Jerzy Przybylsi, Zbigiew Szulc Politecia Warszawsa, Warszawa WPŁYW STRUKTURY OBWODU WEJŚCOWEGO PRZEMENNKA CZĘSTOTLWOŚC NA EFEKTYWNOŚĆ ENERGETYCZNĄ UKŁADU NAPĘDOWEGO MPACT OF THE FRONT END CONVERTER TOPOLOGY ON ECONOMAL FACTORS OF THE ELECTRCAL DRVE SYSTEMS Abstract: Resultig rom orms, disposals ad oter orms are used, but also rom te eed o ratioalizatio o maagig te electric eergy i supply electrical receivers used i propulsio scemes (maily big power above 00W) power electroics coverters. Tis paper presets metods o selectig iput circuits o requecy coverters ad its iluece o level o electrical eergy losses. Selectig o istallatios bacedup wit calculatios very ote leads to solutios i wic te same eect o applyig te worig macie s speed regulator allows to gai ewer power losses ad smaller aect o te eergy source. Some o te results o tasted ig power drivig systems ave bee also described. Wstęp Wyiające z orm, rozporządzeń i iyc uormowań a taże z potrzeby racjoalości gospodarowaia eergią eletryczą w zasilaiu odbioriów eletryczyc zastosowaia w uładac apędowyc (zwłaszcza dużyc mocy powyżej 00W) przeształtiów eergoeletroiczyc powiy m.i. umożliwiać uzysiwaie małe współczyii odształceia prądu pobieraego z sieci zasilającej. Kierowaie się w doborze przemieiów częstotliwości do oreśloego zastosowaia w apędzie tylo ryteriami jego cey bardzo często prowadzi do powstaia dodatowyc strat eergii eletryczej. Nieiedy taże do występowaia staów awarii uładu apędowego tratowaego jao sili z przemieiiem częstotliwości i trasormatorem zasilającym oraz cały system zasilaia. Właściwy dobór urządzeń poparty obliczeiami bardzo często prowadzi do rozwiązań, w tóryc te sam eet zastosowaia regulacji prędości maszyy roboczej pozwala uzysać miejsze straty mocy oraz miejsze oddziaływaie a sieć zasilającą. W artyule omówioo rozwiązaia z różymi topologiami obwodów wejściowyc przemieiów częstotliwości oraz zamieszczoo ietóre wyii badań wybrayc uładów apędowyc dużyc mocy. Podstawowe zależości Źródłem eergii eletryczej dla przeształtiów eergoeletroiczyc jest ajczęściej sieć eletroeergetycza załadów przemysłowyc. Strutura obwodów wejściowyc przeształtiów powoduje, że prąd pobieray z sieci zasilającej ma carater odształcoy od siusoidy. Prąd te a impedacji sieci zasilającej powoduje spadi apięcia, co w osewecji odształca apięcie zasilające. Odształcoy prąd (wg ormy zaburzeie) powoduje szereg objawiającyc się pogorszeiem się jaości pracy iyc odbioriów przyłączoyc do tej samej sieci. Najczęściej stopień odształceia prądu lub apięcia oceia się a podstawie współczyia zieształceń armoiczyc (THD Total Harmoic Distortio) ze wsaźiami dla prądu i U dla apięcia według deiicji: THD = THDU () = U = = () U przy czym:, U wartość sutecza pierwszej armoiczej prądu i apięcia, U wartość sutecza -tej armoiczej prądu i apięcia rząd armoiczej ostati rząd armoiczej wzięty do obliczeń Wartość przyjmuje się 40 lub 50 (p. orma EEE59 zaleca sumować do = 50). Wartości graicze przyjmuje się względem wartości

2 38 Zeszyty Problemowe Maszyy Eletrycze Nr 73/005 zamioowej pierwszej armoiczej (wg EN ). Powyższe współczyii są wyiiem rozładu odształcoego przebiegu według przeształceia Fouriera i deiicji. Każdą armoiczą moża odieść do wartości pierwszej armoiczej i wówczas dla -tej armoiczej prądu i apięcia podaje się współczyii: HD( ) = (3) U HDU ( ) = (4) U lość i rząd armoiczyc geerowayc do sieci zasilającej zależy od ilości pulsów przeształtia wejściowego przemieia częstotliwości. Rząd armoiczyc geerowayc do sieci oreśloy jest zależością : = q ± (5) gdzie jest liczbą aturalą. Jeżeli założymy, że przeształti jest zasilay z idealego źródła apięciowego oraz, że prąd w obwodzie pośrediczącym prądu stałego ie posiada tętień, wówczas wielość poszczególyc armoiczyc jest oreśloa zależością: = (6) Poiżej przedstawioo scematy obwodów wejściowyc przemieiów częstotliwości o różyc ilościac pulsów p: a/ obwód -pulsowy prostowia wej. b/ obwód 8-pulsowy prostowia wej. c/ obwód 4-pulsowy prostowia wej. b) c) Trasormator +0-0 trasormator prostowi 8-pulsowy prostowi 4-puls Obw.DC obw.dc a) Trasormator Prostowi -pulsowy obw.dc Rys.. Scematy obwodów wejściowyc przemieiów częstotliwości: a/ -pulsowy, b/ 8-pulsowy, c/ 4-pulsowy Zwięszeie ilości pulsów uzysuje się przez stosowaie połączeń szeregowyc lub rówoległyc 3-azowyc mostowyc przeształtiów zasilayc z trasormatorów o odpowiedio przesuiętyc apięciac zasilającyc. Na olejyc rysuac przedstawioo oscylogramy prądów zasilającyc przemieii częstotliwości o różyc topologiac obwodów wejściowyc.

3 Zeszyty Problemowe Maszyy Eletrycze Nr 73/ THD % =0,8 % Rys.. Oscylogram prądu zasilającego alowi apięcia z 6-pulsowym obwodem wejściowym zasilającym sili latowy 740W/ 660V Rys.5. Wyres zawartości armoiczyc dla -pulsowego obwodu wejściowego p.cz. THD % =6,5 % Rys.6. Wyres zawartości armoiczyc dla 8-pulsowego obwodu wejściowego p.cz. Rys.3. Oscylogram prądu zasilaia alowia dużej mocy (800W/690V) z -pulsowym obwodem wejściowym THD % =,54 % NA PĘCE P RĄD Rys.4. Oscylogram prądu zasilającego alowi apięcia z 8-pulsowym obwodem wejściowym zasilającym sili latowy 50W/ 6000V Zmiaa strutury obwodów wejściowyc przemieiów w bardzo zaczący sposób zmieiają wartości współczyiów odształceia armoiczyc THD, wyresy zmia THD dla -, 8- i 36-pulsowego uładu wejściowego przedstawiają 3 oleje wyresy przedstawioe a rysuac Rys.5 - Rys.7 (dla tyc samyc waruów zasilaia i obciążeia). Rys.7. Wyres zawartości armoiczyc dla 36-pulsowego obwodu wejściowego p.cz. Daje się zaobserwować o. -rote zmiejszeie współczyia zawartości armoiczyc THD dla zwięszoego z uładu -pulsowego do 8-pulsowego przeształtia, oraz prawie 4-rote zmiejszeie THD jeżeli zastosowao by przeształti wejściowy 36-pulsowy. Moc użytecza przetwarzaa a moc mecaiczą w uładzie apędowym, przy założeiu symetrii zasilaia i w odbioriu, jest oreślaa zależością: 3U cosϕ Puż = (7)

4 40 Zeszyty Problemowe Maszyy Eletrycze Nr 73/005 a moc pobieraa z sieci zasilającej: P zas = 3 U = cos ϕ (8) Na podstawie zajomości suteczej wartości prądu zasilaia zas przemieia częstotliwości oraz zależości a współczyi odształceia THD moża oreślić wartość suteczą prądu armoiczyc więszyc od -szej - oraz zas = + THD = (9) (0) = W prezetowayc wcześiej a rys. rys.4 przebiegac prądu wartości współczyia odształceń prądu THD wyosiła odpowiedio: a/ 6-pulsowy THD= 58,5% b/ -pulsowy THD= 3,4% c/ 8-pulsowy THD= 5,7% Rys.8. Wyres zmia THD przy regulowaej prędości silia apędu pompy o mocy 30W. Oreśleie wartości pozwala a wyza- czeie wartości strat mocy (eergii) wyiającyc z istieia armoiczyc. A straty ocy (eergii) moża oreślić zależościami przedstawioymi poiżej. Jeżeli oreślimy wartość eergii pobieraej przez urządzeia zasilae z odształcoej sieci zasilającej PC PC4 E = C * Σ U cos φ t () gdzie ozacza -tą armoiczą w apięciu lub prądzie, to straty wyiające z istieia armoiczyc prądu i apięcia moża oreślić zależościami: Straty eergii w rezystacjac: E R = 3( Σ ) t Cu Straty eergii w żelazie:,3 = ( Σ ) t E Fe Straty eergii w izolacji: U ( tg E = t z Σ U ) δ () (3) (4) przy czym :, U wartości sutecze prądu i apięcia -tej armoiczej częstotliwość -tej armoiczej tgδ współczyi stratości izolacji dla -tej armoiczej R - rezystacja dla -tej armoiczej, - współczyii ostrucyje t- czas występowaia armoiczyc w apięciu i prądzie. W siliac prądu przemieego zasilayc bezpośredio z tej sieci powstaą dodatowe straty mocy: - w rezystacjac uzwojeń straty te będą proporcjoale do (THD) W oparciu o wartość współczyia zawartości armoiczyc THD moża oreślić wielość strat a rezystacjac uzwojeń trasormatorów, silia. ( THD) + ( THD) PCu = RRMS (5) Zależość ta pozwala obliczyć dodatowe ( P Cu ) straty mocy w rezystacji R jeżeli płyie przez ią prąd o wartości suteczej RMS. - w obwodzie magetyczym ażda armoicza powoduje dodatowe straty proporcjoale do:,3 U i (6) - w izolacji silia dodatowe straty mocy są dla ażdej armoiczej apięcia proporcjoale do: U i (7) (częstotliwość -tej armo.) oraz tgδ (tagesa ąta stratości dla daej armo.)

5 Zeszyty Problemowe Maszyy Eletrycze Nr 73/005 4 Straty te agrzewają sili i izolację przyczyiając się do sróceia czasu życia teciczego urządzeia. Podobe zależości obowiązują rówież dla trasormatorów przyłączoyc do tej samej sieci. W odesatorac ompesującyc ażda armoicza spowoduje dodatowy prąd o wartości: = π CU (8) C Przy dużyc wartościac i U wartość tego prądu dla wszystic armoiczyc może doprowadzać do przeroczeia dopuszczalego prądu całowitego i uszodzeia odesatora. Odbiorii włączae do tej sieci w obecości odesatorów ompesującyc, własyc pojemości i pojemości sieci oraz iducyjości występującyc we własyc obwodac oraz w sieci mogą stworzyć warui do powstaia zjawisa rezoasu i to czasem o ilu wartościac częstotliwości rezoasowej. Zaburzeia apięcia sieci bardzo często mogą być przyczyą iewłaściwej pracy wszystic urządzeń opartyc o tecię cyrową. Dotyczy to omputerów oraz miroprocesorowyc uładów pomiarów i automatyi. W celu ocey współczyia THD wygodie oprzeć się o ormy. Szczególie może być przydata orma P-EN Kompatybilość eletromagetycza (EMC) z uwzględieiem specjalyc metod badań. Zares ormy dotyczy eletryczyc uładów apędowyc o regulowaej prędości. Na podstawie wartości graiczyc podayc w tej ormie, wyoując pomiary (w istiejącyc obietac) lub obliczając teoretyczie wartości THD lub HD moża oceić sta środowisa eletroeergetyczego pod względem armoiczyc apięcia i przewidzieć suti mogące wystąpić. Literatura []. St. Piróg: Eergoeletroia, wydawictwo Uczeliae AGH, 998 []. H. Tuia: Ułady eletromagetycze prostowiów wielopulsowyc, Przegląd eletroteciczy 9/005, str -4 [3]. H. Tuia, R. Barli: Teoria Przeształtiów, Oicya Politecii Warszawsiej, Warszawa 003