Zastosowanie samowzbudnej prądnicy synchronicznej o zmiennej prędkości wału w okrętowej sieci elektroenergetycznej

Transkrypt

1 KOZAK Maciej Zastosowanie samowzbudnej prądnicy synchronicznej o zmiennej prędkości wału w okrętowej sieci elektroenergetycznej WSTĘP Okrętowy system elektroenergetyczny w znakomitej większości zorganizowany jest w taki sposób, że głównym źródłem energii elektrycznej są samowzbudne generatory synchroniczne wytwarzające napięcie zasilające sieć elektroenergetyczną. Napięcie generowane w ten sposób charakteryzuje się niemal idealnie sinusoidalnym przebiegiem a także stałą, zależną od prędkości wirowania częstotliwością. Wartość amplitudy napięcia jest ściśle określona i utrzymywana przez regulator napięcia na odpowiednim poziomie. Z uwagi na zwiększające się moce przekształtników energoelektronicznych rozwijane się nowe metody generacji i przetwarzania energii, umożliwiające bardziej ekonomiczne i racjonalne wykorzystanie istniejących źródeł energii elektrycznej. Dąży się do stworzenia układów sterowania elektrownią okrętową współpracujących z układami sterowania wysokoprężnymi silnikami napędowymi w celu ich bardziej efektywnego wykorzystania. Nie bez znaczenia są zaostrzające się normy ochrony środowiska wymuszające konieczność zmniejszania emisji spalin z silników okrętowych. Wiele nowych jednostek typu offshore konstruowanych jest w technologii Diesel-electricship, czyli statek o napędzie elektrycznym zasilanym z elektrowni wykorzystującej silniki spalinowe. Wiele z pomysłów dotyczących ograniczenia zużycia paliwa (i emisji spalin) bazuje na wykorzystywaniu silników napędowych prądnic elektrycznych pracujących ze zmieniającą się w szerokim zakresie prędkością obrotową. Aby uzyskać energię elektryczną o wymaganej jakości należy przetworzyć ją w układach energoelektronicznych i po procesie synchronizacji dostarczyć do dystrybucyjnej sieci okrętowej. W niniejszym artykule opisano budowę tego typu układu i przedstawiono wybrane wyniki badań układu elektromaszynowego złożonego z samowzbudnej prądnicy synchronicznej i przekształtnika dwukierunkowego o konfiguracji back-toback pracujących na obciążenie o charakterze czynnym i indukcyjno czynnym. 1. BUDOWA I OPIS MATEMATYCZNY PRĄDNICY SYNCHRONICZNEJ Prądnica synchroniczna jest maszyną prądu przemiennego, która zbudowana jest z części nieruchomej czyli stojana i z obracającego się wirnika. Na stojanie nawinięte są uzwojenia miedziane przesunięte względem siebie o 120 stopni. Uzwojenie wirnika jest w większości rozwiązań konstrukcyjnych nazywane magneśnicą i pełni rolę obracającego się synchronicznie elektromagnesu. Strumień wirnika wytwarzany jest przez przepływający w uzwojeniach wirnika prąd stały. W prezentowanym rozwiązaniu energia w postaci prądu przemiennego dostarczana jest do uzwojeń wirnika poprzez układ szczotek i pierścieni ślizgowych co umożliwia dogodne wykonywanie pomiarów. W praktyce najchętniej stosowane są układy wykorzystujące wzbudnice i prostowniki wirujące umieszczone na wirniku, które pozwalają na bezstykowe przenoszenie energii ze strony nieruchomej (czyli z regulatora napięcia) do magneśnicy. Z uwagi na zastosowanie średnio lub szybkoobrotowych wysokoprężnych silników napędowych prądnice synchroniczne wykonane są jako maszyny tajnobiegunowe. Niemal sinusoidalny rozkład pola magnetycznego w przestrzeni uzyskuje się przez umieszczenie uzwojeń wirnikaw żłobkach rozmieszczonych na obwodzie. Uzwojenie wirnika może być wykonane na wiele sposobów, zależnie od producenta generatora i mocy znamionowej maszyny. W turbogeneratorach wykonanie uzwojenia wzbudzenia zależy od tego, czy uzwojenie jest chłodzone pośrednio czy też bezpośrednio. Przy chłodzeniu bezpośrednim, czynnik chłodzący przepływa wewnątrz przewodów. Również uzwojenie stojana może być chłodzone 2368

2 pośrednio, przy pomocy kanałów wodnych lub wodorowych lub bezpośrednio, gdy w skład cewek wchodzą pręty, wewnątrz których przepływa czynnik chłodzący. Rys.1Budowa wirnika prądnicy tajnobiegunowej Samowzbudna prądnica synchroniczna generuje napięcie przemienne na zaciskach, które przez transformator trójfazowy zasila mostek prostowniczy. Napięcie stałe na wyjściu prostownika zasila obwód wzbudzenia prądnicy poprzez szczotki i pierścienie ślizgowe. Rys. 2 Schemat układu regulatora napięcia prądnicy synchronicznej BTP3 Wybrana do badań prądnica synchroniczna nie jest przewidziana do współpracy równoległej z innymi generatorami napięcia sinusoidalnie zmiennego. Wynika to z dużej zmienności wartości napięcia wyjściowego szczególnie w zależności od temperatury uzwojeń i współczynnika mocy obwodu odbiornika i waha się od ±5 % (uzwojenia zimne, cosφ = 0,8) do ±10 % (uzwojenia ciepłe, cosφ = 1). W przypadku rozpatrywanej prądnicy jest możliwa regulacja napięcia na zaciskach w zakresie ok. ±10% poprzez zmianę szerokości szczeliny powietrznej w rdzeniu transformatora jednak prądnica musi być wówczas wyłączona. Rys. 3 Regulacyjna szczelina powietrzna w transformatorze komapudancyjnym prądnicy BTP3 Strumienie stojana i wirnika mogą różnić się w czasie zarówno amplitudą jak i częstotliwością. 2369

3 Równanie napięć stojana można przedstawić w następującej postaci: u Ri d Równanie wirnika (tylko uzwojenie wzbudzenia) dane jest zależnościami: d f u R i f f f A B C (1) (2) (3) L M i M i (4) ss sr f gdzie: L σ - indukcyjności związane ze strumieniem rozproszenia uzwojeń stojana, M ss -indukcyjności związane ze strumieniem głównym w obrębie stojana, M sr - indukcyjności wzajemne pomiędzy uzwojeniami stojana i uzwojeniem wzbudzenia. Zakładając symetrie uzwojenia stojana uzyskuje się: L L (5) Indukcyjności wzajemne stojana: 1 cos120 cos240 M L cos120 1 cos120 (6) ss s cos 240 cos Indukcyjności między uzwojeniami stojana i wirnika dane są zależnością: cos M L cos120 (7) sr f cos 240 Macierz rezystancji stojana można wyrazić w postaci: R R (8) s Do sterowania prądnicą wygodnie jest posługiwać się równaniami maszyny przetransformowanymi do układu α-β uzyskiwane w wyniku lewostronnego mnożenia równań przez macierz transformacji. Równania napięć maszyny w układzie α-β są następujące: di u Ri L L L f di f cos (9) 2370

4 di u Ri L L L f di f sin (10) Wirnik maszyny synchronicznej posiada dwie osie symetrii. Dla potrzeb opisu maszyny synchronicznej zdefiniowany jest układ dwuosiowy złożony z: osi podłużnejdrównoległej do osi magnetycznej maszyny, osi poprzecznejqprzesuniętej o 90 względem osi d. Rys. 4Układy współrzędnych stosowane w opisie prądnicy synchronicznej W przypadku konieczności stosowania układów cyfrowej regulacji wygodnie jest posługiwać się zależnościami opisującymi prądnice w wirującym układzie d-q. Z uwagi na zastosowaną metodę sterowania znaną jako sterowanie polowo zorientowane (FOC) najkorzystniej jest posługiwać się równaniami prądów, które po przekształceniu do układu wirującego synchronicznie przy pomocy transformacji Parka uzyskują następującą postać: 2 2 cos cos cos i 3 3 i d a i sin sin sin i (11) q b i i c W podobny sposób przedstawić można również wartości napięć i strumieni magnetycznych. Po wykonaniu pętli obliczeniowej w układzie sterowania do wypracowania sygnałów sterujących należy wykonać transformacje odwrotną Parka i wyniki przesłać do modulatora SVPWM. 2. STEROWANIE PRZEKSZTAŁTNIKAMI I SAMOWZBUDNĄ PRĄDNICĄ SYNCHRONICZNĄ W proponowanym rozwiązaniu jako źródło energii elektrycznej została zastosowana prądnica synchroniczna o mocy 5,5 kva współpracująca z dwukierunkowym przekształtnikiem tranzystorowym wykonanym w połączeniu back-to-back. 2371

5 Rys. 5Schemat badanego układu eksperymentalnego Energia z przekształtnika przesyłana jest przez transformator separacyjny Tr o mocy 5,5 kva do głównej tablicy rozdzielczej. Transformator separacyjny pełni rolę filtra napięcia i prądu generowanego przez falownik sieciowy. W głównej tablicy rozdzielczej zainstalowana jest aparatura służąca do synchronizacji prądnic i przekształtników ze sobą, co pozwala na zwiększenie mocy całej elektrowni. Prądnica synchroniczna GS napędzana jest przez silnik indukcyjny klatkowy SK zasilany z falownika napędowego FN co umożliwia zmiany prędkości obrotowej w szerokim zakresie. Samowzbudna prądnica synchroniczna generuje na zaciskach wyjściowych napięcie zależne od prędkości wirowania wału co powoduje, że układ nie może działać gdy prędkość prądnicy jest za niska. W badanym przypadku minimalna wartość prędkości obrotowej wynosi ok. 880 obr/min. Po uzyskaniu odpowiedniej wartości napięcia stałego w obwodzie pośredniczącym prądu stałego układ jest gotowy do pracy. W przypadku działania w trybie wyspowym falownik sieciowyfs generuje napięcia i prądy zmienne o stałej amplitudzie i częstotliwości. W przypadku zsynchronizowania i połączenia prądnicy i przekształtnika z już zasiloną siecią, układ sterowania zmienia algorytm pracy na taki, w którym regulowana jest moc czynna i bierna Sterowanie falownikiem maszynowym Układ sterowania składa się z procesora sygnałowego DSP i układu logiki programowalnej FPGA. W procesorze DSP realizowany jest algorytm napisany w języku Visual DSP++, skompilowany i przesłany do pamięci procesora. Program w przerwaniach wywołuje podprocedurę komunikacji z układem FPGA w czasie której odczytuje zmierzone wartości prądów w dwóch fazach niezbędne do realizacji algorytmu sterującego pracą falownika maszynowego. Algorytm FOC (field orientedcontrol) pozwala na niezależne sterowanie prądem czynnym i sq ładującym kondensator obwodu pośredniczącego oraz prądem biernym i sd, którego wartość nastawiona wynosi 0 w przypadku prądnicy samowzbudnej. Nadrzędną pętlą sterującą w proponowanym rozwiązaniu jest układ kontroli napięcia kondensatora obwodu pośredniczącego.do prawidłowej realizacji algorytmu sterowania wykorzystuje się zależność (11) co powoduje konieczność wyznaczenia wartości kąta położenia wirnika γ. W prezentowanym rozwiązaniu w algorytmie realizowanym przez procesor DSP informacje o wartości kąta bieżącego są pozyskiwane poprzez pomiar wartości chwilowych napięć generowanych przez prądnicę. Informację o częstotliwości i kącie uzyskuje się poprzez zliczanie przejść napięć przez wartość zerową w określonym czasie. Z tego powodu konieczny jest dodatkowy pomiar napięć wyjściowych prądnicy. 2372

6 Rys. 6Schemat układu sterowania samowzbudną prądnicą synchroniczną współpracującej z falownikiem back-to-back Aby można było załączyć i wysterować synchroniczną prądnicę przekształtnikową należy wstępnie naładować kondensatory obwodu pośredniczącego falownika. Żeby było to możliwe musi załączyć się łącznik sterowany odpowiednio wysoką wartością napięcia stałego. Rys. 7Proces ładowania kondensatorów obwodu pośredniczącego DC przekształtnika dwukierunkowego współpracującego z prądnicą synchroniczną Załączenie stycznika uzależnione jest pośrednio od wartości prędkości obrotowej generatora synchronicznego. Poprzez odpowiedni algorytm sterowania, wartość napięcia stałego U DC podnoszona jest do ok. 690 V od momentu załączenia stycznika K1 ładującego kondensatory obwodu pośredniczącego. Niewątpliwą zaletą omawianego układu jest brak ładowania wstępnego kondensatorów obwodu pośredniczącego ze źródeł zewnętrznych. W czasie badań eksperymentalnych przeprowadzono próby polegające na pomiarach prądu wzbudzenia oraz napięć wyjściowych (odfiltrowanych) przy różnych prędkościach obrotowych prądnicy. 2373

7 Rys.8Wyniki eksperymentalne wzbudzenia prądnicy dla dwóch prędkości wirowania Kształt napięć wyjściowych U VW jest zniekształcony na skutek zasilania przez rzeczywiste źródło napięcia układu prostownikowego (diody zwrotne falownika maszynowego), które wprowadzają odkształcenia od przebiegu sinusoidalnie zmiennego.napięcie U DC obwodu pośredniczącego jest zależne od prędkości obrotowej maszyny. Gdy falownik maszynowy nie jest aktywny wraz ze wzrostem prędkości obrotowej rośnie napięcie stałe. Po uruchomienia falownika realizowany jest algorytm FOC, który poprzez regulacje prądem czynnym i sq stabilizuje wartość napięcia obwodu pośredniczącego. Wartość kąta niezbędnego do transformacji układów współrzędnych pozyskiwana jest poprzez pomiar przejścia przez wartość zerową napięcia prądnicy. a) b) Rys. 9Wyniki eksperymentalne włączenia (a) i wyłączenia (b) falownika maszynowego Ważną zaletą omawianego rozwiązania jest uniezależnienie częstotliwości wyjściowej od częstotliwości napięcia generowanej przez prądnicę oraz od zmienności parametrów prądnicy. Pozwala to na manipulowanie prędkością silnika napędowego i dostosowywanie nastaw do osiągnięcia najbardziej optymalnego punktu pracy. Dodatkowo podczas pracy prądnicy bez obciążenia wykonano pomiary napięcia stałego w zależności od zmian wartości prędkości wirowania. Jak pokazały wyniki badań eksperymentalnych w układzie prądnica-falownik przy wybranym układzie sterowania wartość napięcia stałego jest utrzymywana na stałym, stabilnym poziomie. 2374

8 2.2. Sterowanie falownikiem sieciowym Przekształtnik sieciowy został oprogramowany w taki sposób, by w zależności od trybu pracy (praca samotna lub praca równoległa)regulować i utrzymywać stałą częstotliwość i amplitudę napięcia wyjściowego. W elektrowni okrętowej oba te stany pracy występują równie często lecz w tym opracowaniu omówiono wyniki badań pracy pojedynczej prądnicy na sieć zasilającą. Aby włączyć prądnicę na niezasilone szyny tablicy rozdzielczej należy ją wzbudzić a następnie ustawić wartość częstotliwości wyjściowej napięcia na żądaną wartość. Załączenie kontrolowane jest przez układ synchronizatora, który m.in. ma za zadanie niedopuszczenie do załączenia niewzbudzonej prądnicy na szyny główne. Rys. 10Schemat połączeń synchronizatora okrętowego [6] Po załączeniu prądnicy i jej przekształtnika na szyny układ był obciążany odbiornikami o charakterze czynnym i indukcyjno-czynnym. W czasie prób zmieniano nastawy regulatorów w programie sterującym badanym układem. W przypadku nieprawidłowych nastaw układ regulacji stawał się niestabilny co powodowało np. wyłączenia przekształtnika spowodowane pojawieniem się przepięcia w obwodzie pośredniczącym prądu stałego.w czasie badań zmieniano również prędkość wirowania prądnicy podczas pracy pod obciążeniem i obserwowano wartość napięcia stałego U DC. Rys. 11Wyniki doświadczalne uzyskane w czasie dociążania prądnicy i w czasie zmian prędkości obrotowej z 1500 obr/min na1200 i 900 obr/min W czasie pracy prądnicy synchronicznej z falownikiem załączonym na szyny, układ okazał się stabilny zarówno podczas zmian prędkości obrotowej jak i w czasie przejmowania bądź zrzutu obciążeń. Parametry takie jak częstotliwość i amplituda napięcia wyjściowego były stałeponao można je było zmieniać z poziomu algorytmu sterowania co pozwalało na łączenie generatora synchronicznego do pracy równoległej z prądnicą klatkową, pierścieniową i siecią sztywną. 2375

9 Rys. 12 Stanowisko laboratoryjne badania samowzbudnej prądnicy synchronicznej W analizowanym układzie najważniejsze zabezpieczenie przekształtnika jest realizowane poprzez kontrolę napięcia stałego obwodu pośredniczącego z poziomu programu sterującego. W przypadku wykrycia narastania wartości napięcia o dużej stromości lub przekroczenia wartości bezpiecznej (ustawionej programowo) układ sterowania wyłącza przekształtnik i załącza układ rozładowujący kondensatory obwodu pośredniczącego. Maszyna synchroniczna zabezpieczona jest dodatkowo przed skutkami zwarć i przeciążeń za pomocą wyłącznika instalacyjnego i programowo. Również wyjście falownika sieciowego jest zabezpieczone programowo. Komplet zabezpieczeń sprzętowych przekształtnika sieciowego obejmujący m.in. zabezpieczenie mocy zwrotnej czynnej, nadprądowe i podnapięciowe zainstalowany jest wewnątrz tablicy rozdzielczej. WNIOSKI Zaprezentowany układ w czasie badań eksperymentalnych cechował się dużą elastycznością działania polegającą przede wszystkim na sterowaniu prądnicą niedostosowaną do długotrwałej pracy równoległej w taki sposób, że możliwe było stabilne generowane energii elektrycznej o stałych parametrach w długim czasie. Dzięki zastosowaniu odpowiednio oprogramowanego falownika dwukierunkowego uzyskano stabilne połączenie prądnicy synchronicznej wirującej ze zmieniającymi się w czasie obrotami wału w zakresie od 40 do 100% prędkości znamionowej. Obecnie prowadzone na stanowisku prace badawcze, obejmują sterowanie bezczujnikowe maszyną synchroniczną mające na celu wyeliminowanie dodatkowych czujników (napięcia, prędkości obrotowej) potrzebnych do zsynchronizowania falownika maszynowego z wirującą prądnicą. Przedstawione wyniki pozyskano w czasie badań prowadzonych w laboratoriach Zielonej Energetyki w Akademii Morskiej w Szczecinie Streszczenie W artykule przedstawiono wybrane zagadnienia dotyczące sterowania prądnicy synchronicznej połączonej z przekształtnikiem dwukierunkowym w układzie back-to-back. Opisano najważniejsze cechy zastosowanego rozwiązania i przedstawiono równania matematyczne opisujące zastosowaną prądnicę.zaprezentowane zostały wyniki z badań eksperymentalnych układu prądnica-przekształtnik-siećprzedstawiono wybrane zagadnienia dotyczące stabilizacji wartości napięcia stałego przy zmieniającym się obciążeniu i prędkości wirowania generatora w cyfrowym układzie sterowania wykorzystującym procesor sygnałowy DSP. Słowa kluczowe:samowzbudna prądnica synchroniczna, falownik maszynowy, falownik sieciowy, przekształtnik dwukierunkowy, synchronizacja w sieci okrętowej, sterowanie w czasie rzeczywistym, procesor DSP. Variable speed self-excited synchronous generator and its application to ship electrical power grid Abstract The paper describes selected issues of variable speed synchronous generatorusing back-to-back inverter in ship electrical power grid. Mathematical formulas and chosen equations of synchronous machine were presented. Vector control of machine side VSI inverter in connection with machine provides wide rotational 2376

10 speed range operation and constant voltage stabilization. An experimental rig, which represents 5,5 kva machine, DSP controlled inverter and power grid DSP controlled converter is described and experimental results are given. Problems associated with maintain of constant voltage value on DC bus while changing angular speed and electrical load were presented. Keywords: self-excited synchronous generator, machine side inverter, line side inverter,back-to-back converter, ship power grid synchronization, real-time parallel control, digital signal processor control. BIBLIOGRAFIA 1. Boldea I., Synchronous Generators (The Electric Generators Handbook). Taylor&FrancisGroup, BocaRaton, Fl Fatu M., Blaabjerg F., Boldea I., Grid to Standalone Transition Motion-Sensorless Dual-Inverter Control of PMSG With Asymmetrical Grid Voltage Sags and Harmonics Filtering. IEEE Transactions on Power Electronics, Krzemiński Z., Cyfrowe sterowanie maszynami asynchronicznymi. Wydawnictwo Politechniki Gdańskiej, Gdańsk Orłowska-Kowalska T. Bezczujnikowe układy napędowe z silnikami indukcyjnymi. Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej. Wrocław Shaft generator drive for marine. ABB brochure Selco T4500 Auto Synchronizer. Roskilde