WYBRANE PROBLEMY ZWIĄZANE Z KOMPENSACJĄ MOCY BIERNEJ I FILTRACJĄ WH W MODERNIZOWANYCH NAPĘDACH PRZEKSZTAŁTNIKOWYCH

Transkrypt

1 ezyty Problemowe Mazyny Elektryczne Nr 2/22 (95) 57 Januz Rak, Kazimierz Jagieła, Marek Gała, Marian Kępińki Politechnika zętochowka, zętochowa WYBRANE PROBEMY WIĄANE KOMPENSAJĄ MOY BIERNEJ I FITRAJĄ WH W MODERNIOWANYH NAPĘDAH PREKSTAŁTNIKOWYH SEETED PROBEMS OF REATIVE POWER OMPENSATION AND HIGHER HARMONIS FITERING IN MODERNIED ONVERTER DRIVES Abtract: The paper deal with requirement that have to be met in deign and modernization o electric converter drive. Technical iue connected with compenation o the reactive power and iltering o higher harmonic o the current, occurring during implementation and operation o the drive, are decribed uing elected example. One o the problem i increae o the voltage ditortion at bue o a medium voltage witching tation due to mimatch between the ilter parameter and the current harmonic pectrum ater replacing controlled D drive o the bar rolling mill with quirrel cage motor with requency converter. Negative eect o the idle run current compenation circuit o a new dry tranormer on valve witching in the controlled rectiier ater replacing old oil tranormer i alo decribed. Diagram o upply circuit, waveorm o current and voltage a well a harmonic pectra illutrating dicued problem are preented and concluion and recommendation are ormulated.. Wtęp Urządzenia i linie technologiczne we wpółczenym przemyśle charakteryzują ię znaczną ilością napędów, w których ilniki będące elementami wykonawczymi złoŝonych układów terowania wymagają ciągłej regulacji prędkości, bądź innych wielkości izycznych charakterytycznych dla danego proceu produkcyjnego. Wymogi takie pełniają przekztałtnikowe zepoły napędowe umoŝliwiające eektywne przetwarzanie energii elektrycznej na mechaniczną z moŝliwością głębokiej, płynnej regulacji prędkości obrotowej lub liniowej mechanizmów roboczych. W początkowym okreie rozwoju energoelektroniki, w latach iedemdzieiątych ubiegłego wieku, toowano przede wzytkim napędy protownikowe prądu tałego z uwagi na parametry ruchowe ilników D oraz łatwość tworzenia układów automatycznej regulacji []. Wpółcześnie w nowych aplikacjach powzechnie touje ię zepoły napędowe typu przemiennik czętotliwości ilnik aynchroniczny klatkowy. Sterowane napędy prądu przemiennego, w trakcie modernizacji itniejących urządzeń technologicznych, zatępują tarze aplikacje zrealizowane na bazie ilników prądu tałego. Przemienniki czętotliwości dzięki cyrowym algorytmom regulacji działającym w czaie rzeczywitym pozwalają kztałtować charakterytyki i parametry ruchowe ilników aynchronicznych podobnie jak miało to miejce w napędach prądu tałego. 2. Uwarunkowania techniczne przy modernizacji napędów przekztałtnikowych Przy doborze napędu przekztałtnikowego do określonej aplikacji uwzględniane ą oprócz kryteriów ekonomicznych (cena, okre zwrotu nakładów, kozty ekploatacji) przede wzytkim uwarunkowania techniczne. Obejmują one cztery grupy zagadnień mające wpływ na parametry i kontrukcję zepołu napędowego: - wymagane parametry proceu technologicznego, - właściwości ekploatacyjne (niezawodność i prawność energetyczna), - oddziaływanie napędu przekztałtnikowego na ieć zailającą w apekcie jakości energii i kompatybilności elektromagnetycznej, - wpływ przekztałtnika na ilnik napędowy z uwzględnieniem toru zailania. Wybór truktury przekztałtnika i mocy ilnika jet determinowany parametrami proceu technologicznego, do których naleŝy zaliczyć []: - wartości makymalnych momentów, które decydują o wyborze mocy ilnika i koniguracji przekztałtnika, - zakre regulacji prędkości obrotowej lub liniowej,

2 58 ezyty Problemowe Mazyny Elektryczne Nr 2/22 (95) - konieczność zmian kierunku wirowania wraz z utaleniem optymalnych wkaźników dynamicznych, - dokładność pozycjonowania dla niektórych urządzeń technologicznych. WaŜną grupą zagadnień, które naleŝy uwzględnić przy doborze napędu przekztałtnikowego jet jego oddziaływanie na ieć zailającą. Napędy przekztałtnikowe ą odbiornikami nieliniowymi, które generują wyŝze harmoniczne prądu i w konekwencji powodują odkztałcenie napięcia w przemyłowej ieci rozdzielczej. Ry.. Przepływ wyŝzych harmonicznych prądów w przemyłowej ieci rozdzielczej SN Aby ograniczyć wpływ wyŝzych harmonicznych prądu na parametry zailania innych odbiorów pracujących w takiej ieci touje ię róŝnorodne środki techniczne (ry. ). Do podtawowych poobów naleŝą: - zailanie napędów przekztałtnikowych du- Ŝej mocy z oddzielnych tranormatorów, - toowanie dławików ieciowych w torze zailania przekztałtnika [9], - intalacja iltrów paywnych - w węzłach ieci, - intalacja iltrów aktywnych do eliminacji prądów wyŝzych harmonicznych. W przypadku głębokiej regulacji prędkości ilnika prądu tałego za pomocą protownika terowanego azowo naleŝy takŝe poprawić wpółczynnik mocy napędu toując kompenację mocy biernej. MoŜna w tym celu wykorzytać baterię kondenatorów iltra -. Ograniczenie przepływu wyŝzych harmonicznych prądu ma znaczenie nie tylko dla warunków pracy innych odbiorów, ale takŝe dla ieci przeyłowej i rozdzielczej oraz tranormatorów energetycznych, gdyŝ wyŝze harmoniczne powodują w nich dodatkowe traty mocy, nagrzewanie i ograniczenie obciąŝalności znamionowej [7]. atoowanie dławików ieciowych lub tranormatorów przekztałtnikowych zapewnia ograniczenie tromości naratania prądu zaworów w tanach komutacyjnych oraz wartości prądów zwarciowych w przekztałtniku. Dzięki temu moŝliwa jet właściwa koordynacja zabezpieczeń nadprądowych i kuteczna ochrona zaworów przekztałtnika. Kolejna, odrębna grupa zagadnień, które naleŝy uwzględnić przy projektowaniu lub modernizacji przekztałtnikowego zepołu napędowego dotyczy oddziaływania przekztałtnika na ilnik napędowy wraz z kablami toru zailania. W przypadku protownika terowanego zazwyczaj wytarczy zaintalowanie w obwodzie prądu wyprotowanego dławika wygładzającego o odpowiedniej indukcyjności. Uzykuje ię dzięki temu zmniejzenie kładowej zmiennej prądu ilnika, a tym amym pulacji momentu elektromagnetycznego. Natomiat znacznie więcej problemów wytępuje dla najbardziej obecnie rozpowzechnionego napędu z ilnikiem aynchronicznym klatkowym zailanym z przemiennika czętotliwości z alownikiem napięcia z modulacją PWM i pośredniczącym obwodem prądu tałego o trukturze pokazanej na ry. 2. Ry. 2. Schemat obwodów iłowych przemiennika czętotliwości Falownik kztałtujący napięcie wyjściowe przemiennika czętotliwości moŝe być terowany kalarnie lub wektorowo. atoowanie zaady modulacji PWM implikuje wyoką czętotliwość łączeń tranzytorów IGBT alowników (do 6 khz). W rezultacie w ali wyjściowej prądu i napięcia (ry. 3) wytępują znaczne zawartości kładowych harmonicznych oraz duŝe tromości napięciowe du/dt, co powoduje zereg negatywnych zjawik w zailanych mazynach.

3 ezyty Problemowe Mazyny Elektryczne Nr 2/22 (95) V A Ry. 3. Prąd i napięcie wyjściowe przemiennika czętotliwości napędu wentylatora [9] NajwaŜniejze kutki zailania ilnika z przemiennika czętotliwości to: - przepięcia relekyjne pojawiające ię na zacikach ilnika przy długości kabli łączących go z przemiennikiem więkzej niŝ kilkanaście metrów [2, 2, 3, 5], - nizczenie nieizolowanych łoŝyk mazyn w wyniku przepływu prądów łoŝykowych o czętotliwości impulów wynikającej z modulacji PWM w alowniku [3], - krócenie czau Ŝywotności ilnika związane z przypiezeniem tarzenia ię jego izolacji w wyniku przepięć i podwyŝzonej temperatury pracy [2, 4, 5], - wytwarzanie hałau i drgań ze względu na wyŝze harmoniczne napięcia [5], - padek prawności ilnika [5]. NaleŜy zaznaczyć, Ŝe aby ograniczyć emiję zakłóceń elektromagnetycznych w paśmie czętotliwości od 5 khz do 3 MHz touje ię ekranowane kable łączące przemiennik z ilnikiem. Jednak wówcza rośnie prąd na wyjściu alownika i przy dłuŝzych kablach ekranowanych naleŝy przewymiarować przemiennik czętotliwości lub zaintalować iltr wyjściowy. Jako iltry wyjściowe touje ię dławiki du/dt, iltry inuoidalne () oraz iltry du/dt z VP (ang. voltage peak limiter) [3, 5]. aadniczym zadaniem iltrów intalowanych na wyjściu przemienników PWM jet ochrona izolacji zailanych ilników. Warto zaznaczyć, Ŝe poza ochroną izolacji ilnika iltry wyjściowe dają dodatkowe korzyści w potaci ograniczenia prądów łoŝykowych, zmniejzenia nagrzewania ilnika oraz obniŝenia poziomu hałau [5]. 3. Niedopaowanie parametrów iltru wh do widma harmonicznych prądu napędu przekztałtnikowego A Podcza komplekowej automatyzacji linii walcowania prętów miedzianych przeprowadzono modernizację napędu głównego walcarki polegającą na zamianie układu prądu tałego na napęd przekztałtnikowy A z przemiennikiem czętotliwości zailającym ilnik aynchroniczny. Schemat układu zailania ilnika napędu walcarki przedtawiono na ryunku 4. Silnik klatkowy o mocy 2 MW jet zailany przez przemiennik czętotliwości F z tranormatora TP dołączonego do zyn rozdzielni SN. Parametry impedancyjne toru zailania napędu walcarki przeliczone na poziom napięcia 6 kv [] zamiezczono w tabeli. Tabela. Wartości rezytancji i reaktancji elementów kładowych ytemu zailania napędu walcarki Sytem el.-en. Tranormatory Kabel S zw=375 MVA TS TP 6 kv R zw =3,5 mω R TS =2,7 mω R TP =,27 Ω R k =3 mω zw =28,8 mω TS =,273 Ω TP =,825 Ω k =2 mω Ry. 4. Schemat układu zailania napędu głównego walcarki z ilnikiem A [8] Podcza modernizacji napędu w itniejącym jednogałęziowym paywnym iltrze - obni- Ŝono trzykrotnie wartość pojemności baterii kondenatorów pozotawiając bez zmian dławik o indukcyjności. Kierowano ię zapewne podziewanym obniŝeniem poboru mocy biernej w wyniku zmiany rodzaju ilnika i przekztałtnika. Parametry iltru po modernizacji dla napędu A walcarki podano w tabeli 2.

4 6 ezyty Problemowe Mazyny Elektryczne Nr 2/22 (95) Tabela 2. Parametry iltru wh dla napędu A walcarki Q [kvar] [µf] [mh] ω r [ - ] Rząd n [-] 43 36,5 4, ,64 mniejzenie pojemności w iltrze powodowało zmianę rzędu jego czętotliwości rezonanowej z wartości 4,4 na 7,64 []. Rząd n rezonanu zeregowego iltru określa wzór (): ω () n = = = ω ω gdzie: i - wartości reaktancji dławika i baterii kondenatorów obliczone dla = 5 Hz, ω pulacja dla czętotliwości = 5 Hz. W rezultacie pojawiło ię niedopaowanie iltra do widma harmonicznych prądu wytępującego na zynach 6 kv rozdzielni (ry. 4). PoniewaŜ napęd z przemiennikiem mającym na wejściu ześciopulowy motek 6D generuje znaczące harmoniczne prądu rzędów: 5, 7, i 3, a iltr paywny ma czętotliwość rezonanową rzędu n = 7,64, jet to tan niedopuzczalny [4, 6]. Analizę pracy iltru - i jego oddziaływania na ieć przemyłową SN przeprowadzono na podtawie pomiarów, wyznaczonych widm harmonicznych przebiegów napięć i prądów [8] oraz obliczeń charakterytyk czętotliwościowych iltru z uwzględnieniem impedancji ieci zailającej. Schemat zatępczy toru zailania napędu i równowaŝny obwód dla harmonicznej rzędu h pokazano na ryunku 5 [, 4]. a) b) ( jω ) = R + jω (2) jω) = R + j( ω / ω ) (3) ( Dla harmonicznej rzędu h impedancje h i h pokazane na ryunku 5b wynozą: = R + jh (4) h h = R + j( h / h) (5) przy czym przyjęto natępujące oznaczenia: rezytancja ieci R = Rzw + RTS + R, reaktancja k ieci = zw + TS + (dla 5 Hz). k Rezytancję R wyznaczono wg wzoru (6) [4] przyjmując zacunkowo dobroć iltru Q = : R = (6) Q W obwodzie pokazanym na ryunku 5b oprócz rezonanu zeregowego w gałęzi iltru wytępuje takŝe rezonan równoległy prądów połączonych równolegle impedancji ieci h i iltru h przy czętotliwości poniŝej czętotliwości dotrojenia gałęzi - [6]. Impedancję widzianą z zacików źródła wyŝzych harmonicznych prądu, jakim jet napęd przekztałtnikowy, określa natępująca zaleŝność [, 4]: = (7) + Dla harmonicznej rzędu h po podtawieniu zaleŝności (4) i (5) otrzymuje ię: [ ] ( R + j h ) R + j( h / h) R + R + j[ h( + ) / h] ( h) = (8) Na ryunku 6 pokazano ragment zarejetrowanych w rozdzielni SN przebiegów: napięcia U na zynach 6 kv, prądu I3 tranormatora TP przemiennika i prądu I2 iltru - [8]. Wyznaczone na podtawie zaleŝności (5) i (8) charakterytyki impedancyjne w unkcji rzędu h oraz względne pektra harmonicznych dla przebiegów prądu tranormatora TP przemiennika i prądu iltru zamiezczono na ryunku 7. kv 5, Rozdzielnia 6 kv prady TP i iltru - A 2 5 2,5 I TP I iltru Ry. 5. Układ zailania napędu walcarki z iltrem paywnym: a) chemat zatępczy toru zailania napędu, b) obwód dla harmonicznej rzędu h., -2, Impedancje ieci i iltru w unkcji czętotliwości mają potać: -5, m

5 ezyty Problemowe Mazyny Elektryczne Nr 2/22 (95) 6 kv 5, 2,5, -2,5-5, Rozdzielnia 6 kv prady TP i iltru - I TP I iltru A Ry. 6. Przebiegi napięcia, prądu iltru - i tranormatora TP po tronie SN [8] I h /I [%] Harmoniczne prądu przemiennika (I3) Harmoniczne prądu iltru - (I2) Impedancja iltru Impedancja iltru wraz z iecią zailającą, THD rząd harmonicznej h m 67,5 ξ 6, Ry. 7. Względne widma harmonicznych prądu przemiennika i iltru oraz charakterytyki impedancyjne iltru i iltru wraz z iecią zailającą Przebieg modułu impedancji w unkcji rzędu harmonicznej h wykazuje lokalne makimum w pobliŝu wartości 7. Odpowiada to czętotliwości ω r rezonanu równoległego prądów, której rząd n r, przy pominięciu rezytancji R i R, moŝna wyznaczyć z zaleŝności (9): + = (9) jn r jnr j nr Po przekztałceniach otrzymuje ię wzór (): n r = + = ω ( + ) 52,5 45, 37,5 3, 22,5 5, 7,5 () Wyliczona wg () wartość n r wynoi 6,97. Do oceny topnia oddziaływania iltru paywnego na jakość energii na poziomie SN wyznaczono wybrane wkaźniki elektroenergetyczne obcią- Ŝenia TS dla róŝnych koniguracji układu zailania [8] i wyniki zamiezczono w tabeli 3. Tabela 3. Wkaźniki elektroenergetyczne obciąŝenia TS dla róŝnych koniguracji układu zailania Koniguracja D/P tgϕ THD I THD U układu zailania [%] [-] [%] [%] Filtr wył.; k wył. 22,5,38 2,9,97 Filtr zał.; k wył. 34,5,62 35,2 2,2 Filtr wył.; k zał. 22,7,84 23,5,9 Filtr zał.; k zał. 32,8 -,38 33,7 2,4 a) U h /U [%] b) I h/i [%] 2,5 2,,5,,5, Harmoniczne napięcia U - wyłączony iltr - Harmoniczne napięcia U - załączony iltr THD rząd harmonicznej h Harmoniczne prądu I - wyłączony iltr - Harmoniczne prądu I - załączony iltr THD rząd harmonicznej h Ry. 8. Harmoniczne napięcia U i prądu I tranormatora TS po tronie 6 kv Na ryunkach 8a i 8b pokazano rozkłady harmonicznych zarejetrowanych przebiegów napięcia i prądu po tronie 6 kv tranormatora TS wraz ze wpółczynnikami zniekztałceń napięcia THD U i prądu THD I przy włączonym i wyłączonym iltrze - oraz wyłączonej baterii kondenatorów k po tronie nn TRP. amiezczone w tabeli 3 wkaźniki i rozkłady harmonicznych wykazują, Ŝe iltr - niedopaowany do widma harmonicznych obciąŝenia powoduje wzrot 5 i 7 harmonicznej w prądzie obciąŝenia tranormatora TS, a w konekwencji wzrot wkaźnika THD U na poziomie 6 kv co wpływa niekorzytnie na pracę pozotałych odbiorów zailanych z tej rozdzielni. aleca ię wyłączenie na tałe iltru - i kompenację mocy biernej za pomocą baterii k.

6 62 ezyty Problemowe Mazyny Elektryczne Nr 2/22 (95) 4. Wpływ układu kompenacji biegu jałowego tranormatora na komutację zaworów w protowniku terowanym Intereujący problem pojawił ię podcza wymiany tranormatora przekztałtnikowego TRP napędu amotoku w linii walcowniczej pokazanego na ryunku 9. Ry. 9. Schemat zailania ilnika prądu tałego napędu amotoku hutniczego z układem kompenacji prądu biegu jałowego tranormatora przekztałtnikowego [6] U 2 [V] m Ry.. Przebiegi napięcia i prądu azy tranormatora TRP po tronie nn Przy próbach uruchomienia napędu prądu tałego z protownikiem terowanym pracował on nietabilnie i ulegały uzkodzeniu bezpieczniki I [A] zybkie. Stwierdzono, Ŝe przyczyną tego ą ocylacje (ry. ), które powtają w równoległym obwodzie rezonanowym (indukcyjność uzwojenia tranormatora kondenator dławiki komutacyjne DłA) podcza komutacji zaworów przy wymuzeniu prądowym [6]. 5. Podumowanie Przedtawiony w artykule przykład dotyczący pogorzenia jakości energii w przemyłowej ieci SN dowodzi, Ŝe przy modernizacji napędów przekztałtnikowych i wynikającej z tego zmiany zapotrzebowania na moc bierną naleŝy zwrócić uwagę na moŝliwość wytąpienia rezonanów przy zmianie pojemności baterii kondenatorów, zwłazcza jeśli ą one elementem pamowego iltru biernego. Konieczne jet wówcza przeprowadzenie analizy truktury ieci, zidentyikowanie czętotliwości rezonanowych i porównanie ich z widmem harmonicznych generowanym przez obciąŝenie. W przypadku tranormatorów uchych wypoaŝonych w układ do kompenacji prądu biegu jałowego w potaci zepołu kondenatorów naleŝy je odłączać tycznikiem (kategoria A6b) podcza pracy zailanego przekztałtnika (protownik, przemiennik lub terownik napięcia). 6. iteratura []. Baggini A. (red): Handbook o Power Quality. John Wiley & Son, td. England 28. [2]. Baavaraja B., Sarma V.S.S.: Analyi o the overvoltage in PWM-inverter ed induction motor. Tencon 28, IEEE Region onerence, pp. -6. [3]. hen S., ipo T.A., Fitzgerald D.: Source o induction motor bearing current caued by PWM inverter. IEEE Tranaction on Energy onverion, Vol., No., 996, pp [4]. Fuch E.F, Maoum M. A.S.: Power Quality in Power Sytem and Electrical Machine, Academic Pre, 28. [5]. Gała M., Jagieła K., Kępińki M., Rak J.: Oddziaływanie duŝych napędów przekztałtnikowych prądu tałego na parametry ekploatacyjne ilników aynchronicznych. Napędy i terowanie, Nr /28, [6]. Jagieła K., Gała M., Kępińki M., Rak J.: Wykonanie badań i analizy układu pracy tranormatorów zawierających PB znajdujących ię na terenie zakładu WBG ISD Huta zętochowa. Raport końcowy. zętochowa 2 (oprac. niepublikowane). [7]. Jagieła K., Rak J., Gała M., Kępińki M.: Straty mocy w tranormatorach energetycznych zailających duŝych odbiorców przemyłowych. Elektroenergetyka Wpółczeność i Rozwój, nr 3/2,

7 [8]. Jagieła K., Rak J., Kępińki M.: Ocena jakości energii elektrycznej pobieranej przez urządzenia technologiczne Huty Miedzi edynia. zętochowa 2 (oprac. niepublikowane). [9]. Jagieła K., Rak J., Kępińki M.: naczenie dławików w układach napędowych z przemiennikami czętotliwości. ezyty Problemowe-Mazyny Elektryczne, Nr 69/24, []. Jagieła K., Rak J., Kępińki M., Gała M.: Wpływ rodzaju ilników na parametry elektroenergetyczne napędu walcarki prętów miedzianych. ezyty Problemowe - Mazyny Elektryczne, Nr 7/25, Katowice, []. Jagieła K., Rak J., Śraniawki J., Węgrzyn A.: Układy energoelektroniczne toowane w polkim przemyśle hutniczym. Kon. EP 2, t. I, [2]. eggate D., Pankau J., Schlegel D.W., Kerkman R.J., Skibinki, G..: Relected wave and their aociated current. IEEE Tranaction on Indutry Application, Vol. 35, No. 6, 999, pp [3]. Moreira A.F., ipo T.A., Venkataramanan G., Bernet S.: High-requency modeling or cable and induction motor overvoltage tudie in long cable drive. IEEE Tranaction on Indutry Application, Vol. 38, No. 5, 22, pp [4]. PN-EN 6642: 2, Sieci przemyłowe prądu przemiennego zakłócane przez harmoniczne. atoowanie iltrów i kondenatorów do równoległej kompenacji mocy biernej. [5]. Pozowki A., Krawiec H.: Wpływ iltrów wyjściowych napięciowych alowników czętotliwości na pracę ilników indukcyjnych klatkowych. ezyty Problemowe-Mazyny Elektryczne, Nr 85/2, [6]. Strzelecki R., Supronowicz H.: Wpółczynnik mocy w ytemach zailania prądu przemiennego i metody jego poprawy. Oicyna Wydawnicza Politechniki Warzawkiej, Warzawa 2. ezyty Problemowe Mazyny Elektryczne Nr 2/22 (95) 63