Optymalizacja rozpływu mocy biernej w maszynie asynchronicznej dwustronnie zasilanej

Transkrypt

1 Mchał JELEŃ Grzegorz JAREK Kazerz GIERLOTKA Poltechnka Śląka Katedra Energoelektronk Napędu Elektrycznego Robotyk Optyalzacja rozpływu ocy bernej w azyne aynchroncznej dwutronne zalanej Strezczene. W azyne aynchroncznej dwutronne zalanej (MDZ) oprócz regulacj prędkośc (lub ocy czynnej z zatoowanach generacyjnych) ożlwa jet także kontrola ocy bernej poberanej z ec przez obwód tojana oraz ocy bernej przekztałtnka ecowego. W referace przedtawono etodykę oblczana trat ocy czynnej w pozczególnych eleentach MDZ w zależnośc od ocy bernej w obwodze tojana oentu elektroagnetycznego lnka. Rozważana te zotały zlutrowane oblczena charakterytyka dla układu laboratoryjnego MDZ o ocy 3 kw. Wynke analzy jet określene rozpływu ocy bernej w azyne dwutronne zalanej przy założenu całkowtej ocy bernej MDZ równej zero dla którego uaryczne traty ocy oągają nalną wartość. Abtract. In the doubly fed nducton achne (DFIM) n addton to peed control t alo poble to control the reactve power flowng fro the an to the tator crcut. The paper preent a ethodology for the calculaton of actve power loe n each coponent of DFIM dependng on the reactve power n the tator crcut and electroagnetc torque of the achne. Thee conderaton are llutrated by calculaton and charactertc degnated for the laboratory 3 kw laboratory odel of DFIM. The reult of the analy to deterne the reactve power flow n the doubly fed nducton achne enurng zero value of the total reactve power for whch the total power loe reache a nu value. (Optzaton of Reactve Power Flow n Doubly Fed Inducton Machne). Słowa kluczowe: azyna dwutronne zalana oc berna prawność Keyword: doubly fed nducton achne reactve power effcency do: /pe Wtęp W azyny aynchroncznej dwutronne zalanej MDZ lnk perścenowy M zalany jet zarówno od trony tojana (z ec) jak wrnka (ry.1) [1]. W obwodze wrnka touje ę tranforator Tr przeennk czętotlwośc uożlwający dwukerunkowy przepływ ocy kładający ę z dwóch falownków: ecowego FNS wrnkowego FNR. W przypadku gdy zakre regulacj prędkośc ogranczony jet do newelkch wartośc względe prędkośc ynchroncznej oc przenozona przez przekztałtnk tanow ułaek całkowtej ocy azyny. Z tego powodu układ azyny dwutronne zalanej znajduje zatoowane. n. w nowoczenych układach generacyjnych o zennej prędkośc wrowana wpółpracujących np. z turbną watrową []. Metody terowana MDZ wywodzą ę z etod terowana lnke klatkowy ą to.n.: terowane polowo zorentowane [3] bezpośredne terowane oente [45] terowane ultkalarne [6] oraz terowane wyuzające dynakę [7]. Ry.1. Scheat układu azyny aynchroncznej dwutronne zalanej Oprócz regulacj prędkośc (lub ocy czynnej obwodu tojan w MDZ ożlwa jet równeż kontrola wartośc ocy bernej poberanej z ec zalającej przez obwód tojana. Zwękzene apltudy truena wrnka powoduje agneowane azyny od trony wrnka znejzene poboru ocy bernej w obwodze tojana. W przypadku zatoowań lnkowych MDZ najkorzytnejza jet praca bez poboru ocy bernej z ec zalającej przez uzwojena tojana. Zwękzene apltudy truena wrnka prowadz jednak do wzrotu wartośc prądu wrnka oże być przyczyną przecążena tego uzwojena [8]. Inny poobe zapewnena jednotkowego wpółczynnka ocy całego układu jet dopuzczene poboru ocy bernej w obwodze tojana kopenowane jej w przekztałtnku ecowy FNS będący źródłe napęca tałego dla przekztałtnka wrnkowego FNR (ry.1) [9]. W referace przedtawono analzę trat ocy czynnej w układze z azyną aynchronczną dwutronne zalaną. Jej cele jet określene optyalnego z uwag na nalzację trat ocy czynnej rozpływu ocy bernej w MDZ przy pełnenu warunku że uaryczna oc berna poberana z ec jet równa zero. Stanowko laboratoryjne Wartośc lczbowe przyjęte w oblczenach dotyczą układu laboratoryjnego z azyną o ocy 3 kw. Oblczena wykonano w welkoścach względnych. W rozważanach ponęto traty w obwodach agnetycznych lnka tranforatora oraz traty echanczne. W kład tanowka laboratoryjnego o cheace jak na ryunku 1 wchodzą natępujące podzepoły: 1. azyna aynchronczna perścenowa typu SUDf 11M-4a fry Indukta o danych znaonowych: P N = 30 kw U 1N = 400 V I 1N = 65 A U N = 10 V I N = 180 A n N = 1390 obr/n coφ N = 08. tranforator typu ET3S-35 produkcj Elhand o danych znaonowych: PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY ISSN R. 90 NR 6/014 67

2 P N = 35 kva U 1N = 400 V U N = 70 V 3. podwójny falownk trójfazowy produkcj ENEL-PC oparty na tranzytorach SKM 300GB14D. Straty ocy w azyne aynchroncznej dwutronne zalanej Analzę prawnośc układu MDZ przeprowadzono etodą trat pozczególnych. Na uaryczne traty ocy kładają ę: traty w uzwojenach azyny M traty w przekztałtnkach odpowedno FNR FNS oraz traty w uzwojenach tranforatora Tr : (1) pm pfns pfnr ptr. Straty w azyne wyznaczono rozdzelając je na traty w uzwojenach tojana wrnka r opane zależnośca: () r (3) r r rr gdze: r r r rezytancje uzwojeń tojana wrnka r - apltuda wektora przetrzennego prądu tojana. Z odelu ateatycznego azyny aynchroncznej ożna wyznaczyć dla tanu utalonego zależność apltudy wektora przetrzennego prądu wrnka r od oentu elektroagnetycznego ocy bernej w obwodze tojana q [4] (wartość dodatna q oznacza pobór ocy bernej ndukcyjnej): (4) l r l M l q oraz analogczną zależność dla apltudy wektora przetrzennego prądu tojana : (5) 1 q gdze: l l M - ndukcyjność włana uzwojeń tojana ndukcyjność główna ψ - apltuda wektora przetrzennego truena tojana ω - prędkość ynchronczna. Ry.. Prąd tojana oraz prąd wrnka w funkcj oentu azyny oraz ocy bernej tojana Ry.3. Straty ocy w uzwojenach tojana wrnka w funkcj oentu azyny oraz ocy bernej tojana 68 PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY ISSN R. 90 NR 6/014

3 Zależnośc te w potac charakterytyk dla wartośc paraetrów zatoowanej azyny perścenowej przedtawono na ryunku. Prąd wrnka generuje w falownku wrnkowy FNR traty ocy FNR które ożna podzelć na [10]: traty przewodzena tranzytora TCON dody DCON traty przełączana tranzytora TSW traty przy wyłączanu dody powodowane jej prąde wteczny DREC. Straty przewodzena tranzytora dody ożna wyrazć w natępujący poób: (6) (7) TCON DCON T T T0 T TT DD u u r u u r D D D0 D gdze: u T0 u D0 - napęce progowe tranzytora dody r T r D - rezytancja dynaczna tranzytora dody T D prądy tranzytora dody. zate od ocy czynnej (zwązanej z oente prędkoścą) ocy bernej MDZ.Rozpływ ten oże być opany funkcja tanu zaworów które ą trudne do wyznaczena w ogólny przypadku. Przyjęto założene uprazczające polegające na ty że uaryczny cza przewodzena tranzytora w okree prądu równy jet uaryczneu czaow przewodzena dody. W tak przypadku traty w tranzytorze dodze kztałtują ę jak na ryunku 4. Paraetry (u T(D)0 r T(D) ) tranzytora dody ą zblżone w zwązku z ty zenność ch udzału w przewodzenu prądu będze ała newelk wpływ na wartość uarycznych trat przewodzena. Straty ocy przełączana tranzytora TSW ą proporcjonalne do prądu czętotlwośc przełączeń tranzytorów w falownku oraz podanych przez producenta wartośc trat energ przy załączanu wyłączanu. TSW q DREC q Ry.4. Straty przewodzena tranzytora dody w funkcj oentu azyny oraz ocy bernej tojana Podane paraetry odczytuje ę z charakterytyk podanych przez producenta danego typu tranzytora. W analzowany przypadku wynozą one w jednotkach bezwzględnych: U T0 = 07 V R T = 0016 Ω U D0 = 05 V R D = 0016 Ω. Rozpływ prądu wrnka azyny na tranzytor dodę falownka w danej faze zależy od apltudy prądu jego przeunęca fazowego oraz od głębokośc odulacj a Ry.5. Straty przełączana tranzytora dody w funkcj oentu azyny oraz ocy bernej tojana Charakterytyk trat energ z noty katalogowej tranzytora aprokyowano funkcją lnową e TSW = a T + b w zakree zennośc prądu oraz dla wartośc napęca na tranzytorze odpowadającej analzowaneu układow. Wpółczynnk funkcj trat wynozą: a = 96*10-9 b = 0. Straty ocy dody DREC wążą ę z odprowadzane ładunku przejścowego Q rr z dody podcza jej wyłączana. Zależą one od czętotlwośc przełączana dody prądu oraz wartośc ładunku którą odczytuje ę z charakterytyk. Energę trat przełączana ożna wylczyć wg zależnośc: PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY ISSN R. 90 NR 6/014 69

4 1 (8) EDREC U CEQrr ( I). W analzowany przypadku funkcję E DREC (I) aprokyowano lnowo otrzyano wpółczynnk równana (w welkoścach względnych): a = 505*10-9 b = 0. Charakterytyk trat ocy przełączana tranzytora oraz wyłączana dody przy uwzględnenu czętotlwośc przełączeń tranzytorów równej 5 khz przedtawono na ryunku 5. Charakterytyk uarycznych trat ocy w azyne M oraz w przekztałtnku lnkowy FNR przedtawono na ryunku 6. Straty ocy w przekztałtnku ecowy FNS wynkają z przepływu ocy czynnej obwodu wrnka do ec zalającej oraz ocy bernej. Przyjęto założene że całkowty wpółczynnk ocy układu wdzany od trony ec zalającej jet równy jednośc a zate przez przekztałtnk ecowy przepływa taka aa oc berna co przez tojan azyny lecz ze znake przecwny. Dodatkowo w przekztałtnku ecowy należy kopenować prąd agneowana tranforatora aby ne wpływał on na zanę założonego jednotkowego wpółczynnka ocy MDZ. (9) p r gdze: ω - prędkość ynchronczna - poślzg azyny a zate kładowa czynna FNScz prądu falownka ecowego (przy ponęcu trat ocy czynnej w falownku wrnkowy) wyno: (10) FNScz r p. u u FNR Ry.7. Prąd przekztałtnka ecowego FNS oraz jego traty ocy w funkcj oentu azyny oraz ocy bernej tojana q Ry.6. Straty ocy w lnku przekztałtnku lnkowy FNR w funkcj oentu azyny oraz ocy bernej tojana Moc elektryczna (czynn obwodu wrnka jet opana zależnoścą: W welkoścach względnych ω = 1 u = 1. Wartość kładowej czynnej prądu zależy od oentu poślzgu (czyl od prędkośc) azyny. W oblczenach przyjęto akyalną wartość poślzgu toowaną w układze laboratoryjny która wyno 033. Analogczne kładowa berna prądu falownka ecowego FNSb zapewnająca kopenację ocy bernej obwodu tojana wyrażona jet wzore: (11) FNSb q. u 70 PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY ISSN R. 90 NR 6/014

5 Składowa berna prądu falownka ecowego kopenująca prąd agneowana tranforatora zotała zerzona wyno μ = Apltudę wektora prądu falownka ecowego FNS opuje zależność: (1) FNS FNScz FNSb u q u Straty ocy dla przekztałtnka ecowego FNS (ry.7) wyznaczono analogczne jak dla przekztałtnka lnkowego FNR. DN μ. Prąd uzwojena dolnego napęca tranforatora jet równy prądow falownka ecowego FNS natoat prąd w uzwojenach górnego napęca różn ę od nego prąde agneujący tranforatora. Pozo trat ocy w tranforatorze ożna odczytać z charakterytyk przedtawonych na ryunku 8. Suując pozczególne traty ocy otrzyuje ę traty całkowte azyny aynchroncznej dwutronne zalanej. Charakterytykę uarycznych trat ocy dla rozważanego układu laboratoryjnego MDZ przedtawa ryunek 9. q q GN q Ry.8. Straty ocy w uzwojenach tranforatora w funkcj oentu azyny oraz ocy bernej tojana Straty ocy w uzwojenach tranforatora Tr obejują traty w uzwojenu odpowedno: dolnego DN oraz górnego GN napęca opane zależnośca: (13) pdn DNrDN (14) pgn GNrGN gdze: r DN r GN - rezytancje uzwojeń tranforatora odpowedno trony dolnego górnego napęca. q b Ry.9. Suaryczne traty ocy w układze z azyną dwutronne zalaną w funkcj oentu azyny oraz ocy bernej tojana Poduowane W azyne aynchronczne dwutronne zalanej na całkowtą oc berną poberaną z ec kłada ę oc berna w obwodze tojana azyny perścenowej oc berna przekztałtnka ecowego. Przez odpowedne terowane przekztałtnka wrnkowego FNR oraz przekztałtnka ecowego FNS ożna wpływać na wartośc obydwu tych ocy. W referace przeanalzowano zależność całkowtych trat ocy czynnej w układze MDZ od oentu elektroagnetycznego rozdzału ocy bernej ędzy azynę aynchronczna a przekztałtnk ecowy przy założenu że uaryczna oc berna układu PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY ISSN R. 90 NR 6/014 71

6 jet równa zero. Przedtawoną etodę analzy ożna równeż wykorzytać do nalzacj trat ocy czynnej przy dowolny pozoe uarycznej ocy bernej MDZ co jet totne przy wykorzytanu generacyjny MDZ np. w energetyce watrowej. W analze wzęto pod uwagę traty w uzwojenach lnka tranforatora oraz traty przewodzena przełączana tranzytorów dod w przekztałtnkach. Zaprezentowaną etodę analzy zlutrowano wynka oblczeń dla układu laboratoryjnego ałej ocy. Potępując wg etody przedtawonej w referace ożna wyznaczyć dla zadanej wartośc całkowtej ocy bernej układu jej rozpływ ędzy obwód tojana azyny perścenowej a falownk ecowy przy który traty ocy czynnej w układze będą nalne. Dla rozpatrywanego układu laboratoryjnego nu trat wytąpło dla ocy bernej lnka q =0 nd oraz ocy bernej falownka ecowego q FNS =0 poj (znaonowa wartość ocy bernej lnka wyno q =057 nd ). Rozważając rozpływy ocy ernej w azyne aynchroncznej dwutronne zalanej oprócz trat ocy czynnej (koztów ekploatacyjnych) należy brać pod uwagę równeż kozty nwetycyjne: znejzene wartośc ocy bernej ndukcyjnej w obwodze tojana lnka perścenowego ponżej wartośc znaonowej wąże ę z wprowadzene do wrnka azyny prądu agneującego a ty ay ze znejzene obcążalnośc azyny oente (ocą czynną) konecznoścą przewyarowana azyny oraz przekztałtnka wrnkowego praca falownka ecowego ze wpółczynnke ocy różny od jednośc wąże ę ze wzrote obcążena prądowego przekztałtnka oraz tranforatora ty ay zwękzena ch paraetrów znaonowych. LITERATURA [1] Tuna H. Kaźerkowk M. Autoatyka napędu przekztałtnkowego PWN Warzawa (1987) [] Lubośny Z. Elektrowne watrowe w ytee elektroenergetyczny Wydawnctwa Naukowo-Technczne Warzawa (006) [3] Bogalecka E. Zagadnena terowana azyną dwutronne zalaną pracującą jako prądnca w ytee elektroenergetyczny Wydawnctwo Uczelnane WSM w Gdyn Gdyna (1997) [4] Gerlotka K. Jeleń M. Control of Double-Fed Inducton Machne Ung DTC ethod Internatonal Conference on Electrcal Drve and Power Electronc EDPE'03 Hgh Tatra Slovaka (003) [5] Jeleń M.: Bezpośredne terowane oentu ocy bernej azyny aynchroncznej dwutronne zalanej rozprawa doktorka Poltechnka Śląka Wydzał Elektryczny (007) [6] Krzeńk Z.: Senorle Multcalar Control of Double Fed Machne for Wnd Power Generator Power Converon Conference PCC'0 Oaka Vol. 1 (00) [7] Jarek G.: Sterowane wyuzające dynakę prędkośc ocy bernej azyny aynchroncznej dwutronne zalanej Przegląd Elektrotechnczny (010) nr [8] Soen J. K. de Brabandere Dreen J. Belan R. Doubly Fed Inducton Machne: Operatng Regon and Dynac Sulaton EPE 003 Touloue (003) [9] Mchalak J. Jeleń M.: Badana yulacyjne ekperyentalne kopenowanego przeennka czętotlwośc Zezyty Naukowe Poltechnk Śląkej era Elektryka z. 198 Glwce (006). [10]Zyganowk M. Analza porównawcza właścwośc wybranych welopozoowych przekztałtnków energoelektroncznych przeznaczonych do układów kondycjonowana energ elektrycznej rozprawa doktorka Poltechnka Śląka Wydzał Elektryczny Glwce (009). Autorzy: dr nż. Mchał Jeleń Poltechnka Śląka Wydzał Elektryczny Katedra Energoelektronk Napędu Elektrycznego Robotyk ul. B. Krzywoutego Glwce e-al: Mchal.Jelen@poll.pl; dr nż. Grzegorz Jarek Poltechnka Śląka Wydzał Elektryczny Katedra Energoelektronk Napędu Elektrycznego Robotyk ul. B. Krzywoutego Glwce e-al: Grzegorz.Jarek@poll.pl;dr hab. nż. Kazerz Gerlotka prof. Pol. Śl. Poltechnka Śląka Wydzał Elektryczny Katedra Energoelektronk Napędu Elektrycznego Robotyk ul. B. Krzywoutego Glwce e-al: Kazerz.Gerlotka@poll.pl 7 PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY ISSN R. 90 NR 6/014