Elektronika przemysłowa

Transkrypt

1 Elektronika przemysłowa Kondycjonery energii elektrycznej Katedra Energoelektroniki, Napędu Elektrycznego i Robotyki Wydział Elektryczny, ul. Krzywoustego 2

2 PAN WYKŁADU Definicja kondycjonera energii elektrycznej Zastosowanie kondycjonerów energii elektrycznej Rodzaje kondycjonerów Aktywne filtry mocy Układy bezprzerwowego zasilania Układy kondycjonowania energii elektrycznej Falowniki wielopoziomowe Zasobniki energii dla układów kondycjonowania energii elektrycznej W2: Elektronika przemysłowa 2

3 Kondycjoner energii elektrycznej - definicja Kondycjoner energii elektrycznej to urządzenie służące do minimalizowania wybranych lub wszystkich zaburzeń występujących w sieci elektrycznej (przepięć, zapadów napięcia, przerw w zasilaniu, zniekształceń prądów i napięć wyższe harmoniczne) Kondycjonery pozwalają na kompensacje mocy biernej (kompensatory mocy biernej). Do kondycjonerów zalicza się: filtry pasywne, aktywne filtry mocy, układy bezprzerwowego zasilania (UPS), układy kondycjonowania energii, warystory itd. W2: Elektronika przemysłowa 3

4 Kondycjonery energii elektrycznej - zastosowanie Zapewnienie ciągłości zasilania dla wrażliwych odbiorników (linie produkcyjne, szpitale) Stabilizacja pracy sieci energetycznej w przypadku zastosowania kondycjonerów przy odbiornikach niespokojnych (piece łukowe, często uruchamiane silniki asynchroniczne, działa torpedowe, katapulty) Eliminacja wyższych harmonicznych będących wynikiem coraz częściej używanych odbiorników nieliniowych (prostowniki, lampy wyładowcze). Kompensacja mocy biernej W2: Elektronika przemysłowa 4

5 Kondycjonery energii elektrycznej - rodzaje Filtry pasywne Aktywne filtry mocy (równoległe, szeregowe, szeregoworównoległe) Układy bezprzerwowego zasilania Układy kondycjonowania energii elektrycznej (równoległe szeregowe, prądowe, napięciowe, z zasobnikami w postaci superkondensatorów, cewki nadprzewodzącej - HTS, TS, baterii akumulatorów, koła zamachowego, ogniwa paliwowego itd.) W2: Elektronika przemysłowa 5

6 Filtry pasywne przykład filtru jednofazowego Filtr 5-, 7-, 11-, 13- i 17-tej harmonicznej prądu Impedancja poszczególnych gałęzi i impedancja zastępcza Z fh( ω ) Rfh + j ωfh 1 ωc fh Z 1 ω + Z 17 S ω 1 Z W2: Elektronika przemysłowa 6 ( ) h 1,5,7,... fh ( ω) ( )

7 Filtry pasywne przykład filtru jednofazowego Charakterystyka impedancji widziana od strony zasilania Impedancja dla wybranych harmonicznych jest bardzo mała. Istnieją lepsze warunki dla przepływu prądu wyższych harmonicznych przez taki filtr, a nie przez sieć zasilającą. Redukuje to wpływ wyższych harmonicznych na napięcie sieci. W2: Elektronika przemysłowa 7

8 W2: Elektronika przemysłowa 8 Aktywne filtry mocy Aktywne filtry mocy modele jednofazowe modele jednofazowe Równoległy aktywny filtr mocy Szeregowy aktywny filtr mocy ( ) 0 F F o F F o + u i p p u i p i j G u u u u ω ( ) 0 F F o o F F o u i p p u i p i j G i i i i ω

9 Równoległy y aktywny filtr mocy przykład działania ania 100 e i d Schemat i o i o1cz i F i W2: Elektronika przemysłowa 9

10 i F V F u u i Równoległy y aktywny filtr mocy układ energoelektroniczny o u i 1cz + u di + dt i + * F dł i T F W2: Elektronika przemysłowa 10

11 Równoległy y aktywny filtr mocy układ energoelektroniczny e i d i o 0 i o1cz i f i W2: Elektronika przemysłowa 11

12 Szeregowy aktywny filtr mocy układ energoelektroniczny e 1 Z 1 i 1 u F1 u o1 i o e 2 Z 2 i 2 u F2 u o2 e 3 Z 3 i 3 i k1 i k2 u F3 u o3 i k3 k k k T 1 T 2 T 3 T 4 T 5 T 6 ( jω) F F W2: Elektronika przemysłowa 12 C u u p p F u i i o G + u u u F i 0 p o

13 Układy bezprzerwowego zasilania - UPS Układ szeregowy Układ równoległy W2: Elektronika przemysłowa 13

14 Układy kondycjonowania energii elektrycznej Równoległe, Szeregowe, Prądowe przekształtniki tworzące układ są przekształtnikami prądowymi, Napięciowe w tym również wielopoziomowe, Zasobniki: superkondensatry, cewki nadprzewodzące HTS, TS, baterie akumulatorów, koła zamachowego, ogniwa paliwowego W2: Elektronika przemysłowa 14

15 Układy kondycjonowania energii elektrycznej Równoległy układ kondycjonowania energii z przekształtnikiem napięciowym i z zasobnikiem w postaci cewki nadprzewodzącej W2: Elektronika przemysłowa 15

16 Przekształtnik tnik DC/DC w układzie kondycjonowania z zasobnikiem SMES Rozładowanie 3 4 -V DC 0 S DC1 S DC4 00 S DC1 S DC4 10 W2: Elektronika przemysłowa 16

17 Układy kondycjonowania energii elektrycznej zbudowany w KENER PARAMETR MOC POZORNA S N NAPIĘCIE SIECI V N ENERGIA ZGROMADZONA E C INDUKCYJNOŚĆ CEWKI SMES PRĄD KRYTYCZNY CEWKI I C NAPIĘCIE KONDENSATORA V DC POJEMNOŚĆ KONDENSATORA C DC CZĘSTOT. ŁĄCZEŃ AC/DC f SI CZĘSTOT. ŁĄCZEŃ DC/DC f SC WART. NOMINANA 30 kva 400 V 25 kj 12.5 H 70 A 750 V 4.8 mf 3/6 khz 50 Hz W2: Elektronika przemysłowa 17

18 Układy kondycjonowania energii elektrycznej zbudowany w KENER Cewka nadprzewodząca W2: Elektronika przemysłowa 18

19 Tryby pracy kondycjonera TRYB KOMPENSACJI - TK Kondycjoner działa jak aktywny filtr mocy (APF). Zadania: 1. Kompensacja mocy biernej (AC/DC) 2. Ograniczenie wyższych harmonicznych w prądach (AC/DC) 3. Kompensacja asymetrii obciążenia w prądach (AC/DC) 4. Kontrola prądu cewki nadprzewodzącej (DC/DC) W2: Elektronika przemysłowa 19

20 Tryby pracy kondycjonera TRYB EIMINACJI PRZECIĄŻEŃ -TEP Zadania dla kondycjonera: 1. Kompensacja mocy biernej (AC/DC) 2. Ograniczenie prądu pobieranego z sieci (AC/DC) 3. Kontrola napięcia kondensatora kosztem energii zgromadzonej w cewce nadprzewodzącej (DC/DC) W2: Elektronika przemysłowa 20

21 Tryby pracy kondycjonera TRYB EIMINACJI ZAPADÓW - TEZ Kondycjoner działa jak UPS. Zadania: 1. Kontrola napięcia na zaciskach odbiornika (AC/DC) 2. Kontrola napięcia kondensatora kosztem energii zgromadzonej w cewce nadprzewodzącej (DC/DC) W2: Elektronika przemysłowa 21

22 Badania symulacyjne Prąd obciążenia czas [s] Napięcie sieci Prąd sieci czas [s] Tryb kompensacji - obciążenie nieliniowe W2: Elektronika przemysłowa 22

23 Badania symulacyjne Prąd obciążenia czas [s] Prąd sieci czas [s] Tryb eliminacji przeciążeń W2: Elektronika przemysłowa 23

24 Badania symulacyjne Napięcie sieci czas [s] Napięcie obciążenia czas [s] Tryb eliminacji zapadów W2: Elektronika przemysłowa 24

25 Badania eksperymentalne Napięcie sieci Prąd obciążenia Napięcie sieci Prąd sieci Tryb kompensacji - obciążenie liniowe W2: Elektronika przemysłowa 25

26 Badania eksperymentalne Napięcie sieci Prąd obciążenia Napięcie sieci Prąd sieci Tryb kompensacji - obciążenie nieliniowe W2: Elektronika przemysłowa 26

27 Badania eksperymentalne Napięcie sieci Prąd sieci Napięcie obciążenia Prąd obciążenia Tryb eliminacji zapadów W2: Elektronika przemysłowa 27

28 Rzeczywiste przebiegi prądu sieciowego dla układu kondycjonowania en. el.. z SMES Prąd sieciowy przed kompensacją Prąd sieciowy po kompensacji W2: Elektronika przemysłowa 28

29 Układy kondycjonowania energii elektrycznej Równoległy układ kondycjonowania energii z przekształtnikiem prądowym i z zasobnikiem w postaci cewki nadprzewodzącej W2: Elektronika przemysłowa 29

30 Układy kondycjonowania energii elektrycznej Równoległy układ kondycjonowania energii z przekształtnikiem napięciowym i z zasobnikiem w postaci superkondensatorów W2: Elektronika przemysłowa 30

31 Przekształtnik tnik DC/DC w układzie kondycjonowania z zasobnikiem typu superkondensatory 2600 F; 2.5 V; 60mm x 172mm cylinder; 525 g W2: Elektronika przemysłowa 31

32 Zasobniki energii 1. Cewka nadprzewodząca: duża gęstość mocy, szybka reakcja, wysoka cena. 2. Superkondensatory: duża gęstość energii i mocy, nieograniczona liczba cykli pracy 3. Koło zamachowe: duża gęstość energii, potrzeba stosowania przetwornika mech.-elektr., elementy mechaniczne się starzeją. 4. Akumulatory: duża gęstość energii, potrzeba obsługi, ograniczona liczba cykli ładowanie/rozładowanie. W2: Elektronika przemysłowa 32

33 Układy kondycjonowania energii elektrycznej z przekształtnikami tnikami wielopoziomowymi Układy kondycjonowania energii z przekształtnikami wielopoziomowymi mogą pracować przy wyższych napięciach. W2: Elektronika przemysłowa 33

34 Falowniki wielopoziomowe w układach kondycjonowania energii elektrycznej Falownik z diodami poziomującymi Falownik z kondensatorami poziomującymi Falownik kaskadowy W2: Elektronika przemysłowa 34

35 Koniec wykładu nr 2 W2: Elektronika przemysłowa 35