Energoelektronika w układach napędowych problemy aplikacji i eksploatacji Technologia Technologia Technologia Technologia Technologia Technologia Technologia Technologia 1. Wstęp Różnorodne zastosowania silników elektrycznych narzucają potrzebę regulacji prędkości obrotowej, często w szerokim zakresie. Z uwagi na trudności związane z praktyczną regulacją prędkości, tanie i proste w eksploatacji klatkowe silniki asynchroniczne nie znajdowały szerokiego zastosowania w układach wymagających zmiennej prędkości. Najczęściej w takich aplikacjach wykorzystywano silniki prądu stałego. Dynamiczny rozwój elektroniki sprawił jednak, że częstotliwościowa regulacja prędkości obrotowej silników asynchronicznych przestała być możliwością teoretyczną. Dostępne obecnie przemienniki częstotliwości pozwalają na budowę układów napędowych, których właściwości dynamiczne dorównują układom napędowym z silnikami prądu stałego. Nie stanowi też problemu napęd falownikowy na napięciu 6kV. Jednocześnie wraz z nowymi możliwościami technicznymi pojawiły się nowe zagrożenia i problemy eksploatacyjne. 2. Sposoby regulacji prędkości obrotowej silników asynchronicznych Jednym ze sposobów regulacji prędkości obrotowej silników asynchronicznych jest wtrącenie rezystancji w obwód wirnika. Rozwiązanie to jest możliwe tylko w silnikach pierścieniowych. Zwiększenie rezystancji w obwodzie wirnika powoduje zwiększenie poślizgu krytycznego przy zachowaniu momentu maksymalnego (rys. 1). Ze względu na nieuniknione straty mocy w rezystorach taka regulacja jest mało ekonomiczna, a sam silnik pierścieniowy jest bardziej kłopotliwy w eksploatacji. Ponadto przy mniejszych prędkościach obrotowych charakterystyka silnika staje się coraz bardziej miękka, co w wielu aplikacjach może stanowić wadę. Piotr Duda Energotest sp. z o.o. Kolejną możliwość stanowi zmiana napięcia zasilania stojana. Ze względu na następującą zależność momentu obrotowego silnika asynchronicznego od napięcia i częstotliwości: (1) 86
dla poślizgu s=const. przy niezmiennych parametrach RL obwodu silnika, moment obrotowy M2 przy napięciu U2 wynosi: Jak widać z charakterystyki (rys. 2) uzyskany w ten sposób zakres regulacji jest niewielki, a spadek momentu maksymalnego zgodnie z zależnością (1) jest znaczny. Dodatkowo przy stałym momencie występuje wzrost strat w uzwojeniach, który uniemożliwia ciągłą pracę przy obciążeniu znamionowym. Ten sposób regulacji nie znajduje zastosowania praktycznego. Z zależności (1) wynika też, że przy utrzymaniu stałego stosunku napięcia do częstotliwości (U/f = const.), zmiana prędkości (n f ) odbywa się z zachowaniem momentu maksymalnego. Charakterystyka silnika ulega przesunięciu, ale przy mniejszych prędkościach pozostaje niezmiennie sztywna (rys. 3). Ten rodzaj regulacji jest jednocześnie najbardziej ekonomiczny i stał się punktem wyjścia do realizacji przemienników częstotliwości. Istnieje także możliwość regulacji prędkości obrotowej przez zmianę liczby par biegunów. Regulacja taka jest jednak skokowa i wymaga zastosowania specjalnego silnika o przełączanej liczbie par biegunów, jak również dodatkowych kabli i pola w rozdzielni. Ten sposób regulacji nie powoduje dodatkowych strat energii. Rozwiązania takie można jeszcze spotkać w elektrowniach np. w układach silników wentylatorów spalin czy powietrza. 3. Rodzaje i budowa pośrednich przemienników częstotliwości Pośredni przemiennik częstotliwości jest energoelektroniczną przetwornicą AC/AC, w której przetwarzanie energii odbywa się dwustopniowo, z pośrednim udziałem obwodu napięcia bądź prądu stałego DC. Obwód silnoprądowy pośredniego przemiennika częstotliwości składa się z prostownika, obwodu pośredniczącego napięcia (lub prądu) stałego oraz falownika. Prostownik zapewnia prostowanie trójfazowego napięcia przemiennego, którym zasilany jest przemiennik. Prostownik może być niesterowany (diodowy) lub sterowany (tyrystorowy lub tranzystorowy). (2) Najczęściej jest to mostek 6-pulsowy, ale przy wyższych napięciach i mocach spotyka się też mostki 12, 18, a nawet 36-pulsowe. Umieszczenie w obwodzie pośredniczącym przemiennika zespołu kondensatorów zapewnia napięciowe zasilanie falownika. Napięcie wyjściowe falownika jest więc ciągiem impulsów prostokątnych, które powstają z cyklicznego łączenia faz wyjściowych z dodatnim i ujemnym biegunem (falownik dwupoziomowy) obwodu pośredniczącego. Większość oferowanych obecnie przemienników częstotliwości wyposażonych jest właśnie w falownik napięcia. Dla prawidłowej pracy falownika niezbędne są diody zwrotne, które są wpięte przeciwrównolegle do każdego z zaworów falownika. Prostownik nie musi być sterowany i wystarczy zastosowanie prostownika diodowego. Regulacja parametrów wyjściowych (napięcie i częstotliwość) odbywa się wyłącznie w układzie sterowania falownika. Jeżeli przemiennik pracujący z falownikiem napięcia zostanie wyposażony w prostownik nawrotny, uzyskujemy dodatkową możliwość zwrotu energii do sieci podczas hamowania. Jeżeli w obwodzie pośredniczącym zamiast zespołu kondensatorów znajdzie się dławik, to falownik będzie zasilany ze źródła prądowego. Cykliczne łączenie faz wyjściowych z biegunami obwodu pośredniego powoduje, że w tym przypadku to prąd wyjściowy jest ciągiem impulsów prostokątnych. Falownik prądowy nie wymaga stosowania diod przeciwrównoległych, co upraszcza jego strukturę. Konieczne jest jednak zastosowanie w pełni sterowanego prostownika tyrystorowego (lub tranzystorowego), ponieważ regulacja wartości prądu wyjściowego odbywa się w układzie sterowania prostownika. W układzie sterowania falownika odbywa się tylko regulacja częstotliwości. W przemienniku z falownikiem prądu zwrot energii do sieci następuje przy zmianie biegunowości napięcia na wyjściu prostownika, przy zachowaniu stałego kierunku przepływu prądu. Nie ma potrzeby stosowania prostownika nawrotnego. Ze względu na algorytmy sterowania rozróżnia się falowniki ze sterowaniem skalarnym lub wektorowym. W sterowaniu skalarnym wielkościami kontrolowanymi są wartości napięcia, prądu i częstotliwości. Właściwości dynamiczne napędów ze sterowaniem skalarnym nie są najlepsze, a uzyskanie znamionowego momentu obrotowego przy małych prędkościach nie jest możliwe. W przypadku sterowania wektorowego wielkościami kontrolowanymi są wektory prądów, napięć nr 4 (6) 2010 87
i strumieni. Przemienniki ze sterowaniem wektorowym posługują się parametrami schematu zastępczego silnika, które są określane podczas automatycznych procedur identyfikacyjnych na podstawie wprowadzonych parametrów znamionowych silnika. Sterowanie wektorowe pozwala na uzyskanie znacznie lepszych parametrów dynamicznych napędów, jak również znamionowego momentu obrotowego w całym zakresie prędkości, w tym również przy prędkości zerowej. Producenci przemienników posiadają indywidualne algorytmy sterowania wektorowego funkcjonujące pod firmowymi nazwami (VVC Voltage Vector Control, DTC Direct Torque Control, DVC Direct Vector Control). 4. Zabezpieczenia przemiennika i silnika Technologia Technologia Technologia Technologia Technologia Technologia Technologia Technologia Od strony zasilania przemiennika niezbędne jest zastosowanie bezpieczników ultraszybkich o niepełnozakresowej zdolności wyłączania (ag, ar). Bezpieczniki mają za zadanie zabezpieczyć mostek prostowniczy przemiennika jedynie przed skutkami zwarć w obwodach wejściowych. Stąd warunkiem skuteczności zabezpieczenia jest, aby całka cieplna wyłączania bezpiecznika (I 2 t) była mniejsza od całki cieplnej diod/tyrystorów mostka prostowniczego przemiennika. Z reguły dokumentacja przemiennika poza informacjami o wielkościach i typach wymaganych bezpieczników zawiera także informacje o dopuszczalnych wartościach całki cieplnej wyłączania bezpieczników, co pozwala na ewentualny dobór zamienników. Bezpieczniki te zapewniają także szybkie samoczynne wyłączenie zasilania jako środek dodatkowej ochrony przeciwporażeniowej przy uszkodzeniu w obwodach wejściowych przemiennika. Zagadnienia samej ochrony przeciwporażeniowej przedstawiono poniżej. W obwodach wyjściowych przemiennika znajdują się programowalne zabezpieczenia mikroprocesorowe, które mają za zadanie ochronę przemiennika i samego silnika. Zabezpieczenia te korzystają z pomiarów prądów i napięć na wyjściu falownika, a także napięcia w obwodzie pośrednim DC. Jako zabezpieczenia przemiennika zapewniają ochronę całego przemiennika przed przeciążeniem, a tranzystorów/tyrystorów falownika również przed zwarciem w obwodach wyjściowych, a więc w kablu silnikowym czy samym silniku. Zabezpieczenie podnapięciowe w obwodzie DC powoduje ponadto odstawienie całego napędu w przypadku obniżenia napięcia w obwodzie DC poniżej poziomu niezbędnego do prawidłowej pracy przemiennika. Analogicznie działa zabezpieczenie nadnapięciowe w obwodzie DC. Przy zapewnieniu ciągłości przewodów ochronnych ograniczniki prądu zapewniają też ograniczenie napięcia dotyku na silniku do wartości bezpiecznej. Niezależnie od zabezpieczeń przemiennika uzyskujemy komplet zabezpieczeń silnikowych. Są to więc przede wszystkim zabezpieczenia: przed zwarciami międzyfazowymi i doziemnymi, przed przeciążeniem (wyliczana wartość efektu cieplnego I 2 t) i niedociążeniem, przed utykiem, przed asymetrią prądów i napięć, podnapięciowe, termiczne (współpracujące z progowym czujnikiem PTC w silniku). W przypadku zasilania kilku silników z jednego przemiennika wymagane jest dodatkowe zastosowanie niezależnych zabezpieczeń przeciążeniowych osobno dla każdego z silników. 5. Oddziaływanie przemiennika częstotliwości na sieć zasilającą Od strony sieci zasilającej przemiennik widziany jest jako prostownik i jako taki stanowi obciążenie nieliniowe. W prądzie zasilania obecne są harmoniczne: n = 6k ± 1, gdzie k=1, 2, 3,... (3), a więc najbardziej znaczące są harmoniczne o numerach 5, 7, 11, 13. Miarą odkształcenia prądu jest współczynnik odkształcenia zdefiniowany następująco: gdzie I 1 jest wartością skuteczną harmonicznej podstawowej. Sposoby ograniczania harmonicznych można podzielić na metody pasywne i aktywne. Wśród metod pasywnych można wyróżnić zastosowanie prostowników o większej liczbie pulsów (np. prostownik 12-pulsowy zasilany z transformatora trójuzwojeniowego, w którym jedno z uzwojeń wtórnych jest połączone w trójkąt, a drugie (4), 88
Rys. 1. Regulacja prędkości obrotowej przez zmianę rezystancji w obwodzie wirnika Rys. 2. Regulacja prędkości obrotowej przez zmianę napięcia zasilania
Rys. 3. Regulacja prędkości obrotowej przez jednoczesną zmianę napięcia i częstotliwości Rys. 4. Przemiennik częstotliwości z falownikiem napięcia
w gwiazdę), czy umieszczenie dodatkowych dławików po stronie zasilania (AC) lub w obwodzie pośredniczącym (DC). Metodą aktywną jest eliminacja harmonicznych za pomocą prostownika aktywnego (sterowanego, z modulacją PWM). W tab. 1. przedstawiono porównanie poziomu harmonicznych prądu i współczynników odkształcenia THDi dla prostownika 6-pulsowego, 6-pulsowego z dławikiem, 12-pulsowego zasilanego z transformatora trójuzwojeniowego oraz prostownika aktywnego. Wartości zamieszczone w tabelach odnoszą się do pracy z obciążeniem znamionowym. Przy obciążeniach mniejszych od znamionowego poziom harmonicznych znacznie wzrasta. Harmoniczne napięcia są konsekwencją harmonicznych prądu, ale zależą już od impedancji zasilania, czyli od sztywności sieci. W kierunku sieci zasilającej przewodzone są także zakłócenia związane z modulacją PWM falownika, które zostały opisane poniżej. Ochronę przed tymi zakłóceniami stanowią instalowane od strony zasilania pasywne filtry przeciwzakłóceniowe LC o indukcyjnościach wzdłużnych i pojemnościach poprzecznych. Problemy na wyjściu przemiennika Od strony wyjścia przemiennik jest źródłem przebiegów o częstotliwości modulacji falownika, a więc 2 12 khz. Dodatkowo, dzięki dużym szybkościom przełączania dostępnych obecnie tranzystorów, przebiegi te posiadają bardzo strome zbocza, o stromości 1500 1800V/µs. Strome zbocza są przyczyną emisji zakłóceń elektromagnetycznych z kabla silnikowego na poziomie MHz, a także impulsowych przepięć na silniku, których wartość może sięgać podwójnej wartości napięcia w obwodzie pośredniczącym. Najlepszą ochronę przed emisją zakłóceń elektromagnetycznych zapewnia ekranowanie kabla pomiędzy przemiennikiem i silnikiem. Skuteczne ekranowanie stanowi ekran podwójny w postaci oplotu drutowego i ekranu foliowego. Ponadto kabel powinien być zbudowany w sposób symetryczny, co oznacza, że żyła ochronna powinna być dzielona i rozmieszczona równomiernie pomiędzy żyłami fazowymi. Ochronę przed przepięciami na zaciskach silnika może zapewnić odpowiedni poziom napięcia izolacji silnika, a jeszcze lepiej filtr du/dt na wyjściu falownika bądź przy silniku. Filtr du/dt ogranicza przepięcia i jednocześnie znacznie zwiększa dopuszczalną długość kabla silnikowego. Ekranowany kabel posiada jednak pojemność, która przy częstotliwości przełączania zaworów stanowi na tyle małą impedancję, że zużywa część prądu wyjściowego falownika i podłączony silnik może pobierać prąd o wartości mniejszej od znamionowego prądu wyjściowego falownika. Z tego względu istotny jest dobór kabla o możliwie najmniejszej pojemności pasożytniczej. Podobne pojemności występują w silniku i maszynie stanowiącej jego obciążenie. Podobnie obecność tych pojemności przy zasilaniu bezpośrednim z sieci jest pomijalna i zaczyna mieć znaczenie przy częstotliwości przełączania zaworów przekształtnika. Ze względu na to, że wartości chwilowe napięć na wyjściu falownika są asymetryczne, w punkcie zerowym silnika występuje napięcie impulsowe pod wpływem którego płyną prądy pojemnościowe. Z jednej strony istnieje pojemność pomiędzy zasilanym przez nas uzwojeniem w stojanie i metalową konstrukcją stojana, a z drugiej pomiędzy uzwojeniem w stojanie i wirnikiem. Pierwsza z tych pojemności stwarza drogę przepływu prądu do stojana i dalej do przewodu ochronnego PE. Druga pojemność stwarza drogę dla przepływu prądu przez wirnik, jego powrót przez łożyska silnika do stojana i podobnie do przewodu ochronnego PE. Ten właśnie przepływ prądu przez łożyska jest przyczyną ich nagrzewania, a w skrajnych przypadkach uszkodzeń bieżni łożysk. Efekt ten jest znaczący w silnikach większej mocy. Rozwiązanie problemu stanowi izolowanie łożysk silnika, jak również zapewnienie dobrego systemu uziemień całego układu napędowego i obustronne podłączenie ekranu kabla silnikowego, w sposób zapewniający najmniejsze indukcyjności. Połączenie to nie może polegać na przykręceniu skręconych żył ekranu kabla do zacisku PE. Wymaga zastosowania obejm lub dławików spełniających warunki kompatybilności elektromagnetycznej EMC. Działania te utrudniają przepływ prądu przez łożyska (izolowanie) i powodują utworzenie najkorzystniejszej drogi powrotu prądów zakłóceniowych przez przewody PE i ekran kabla silnikowego do przemiennika. Ułatwiamy powrót prądów zakłóceniowych do przemiennika, ale jednocześnie dzięki indukcyjnościom filtru przeciwzakłóceniowego utrudniamy przepływ tych prądów do sieci zasilającej. Aby nie dopuścić do przedostawania się prądów zakłóceniowych do sieci zasilającej, na wejściu przemiennika stosuje się filtry przeciwzakłóceniowe RFI. Są to pasywne filtry LC o indukcyjnościach wzdłużnych i pojemnościach poprzecznych. Zastosowanie wsponr 4 (6) 2010 91
mnianego wcześniej filtru du/dt na wyjściu przemiennika ogranicza również prądy pojemnościowe w kablu silnikowym i prądy łożyskowe w silniku. 6. Wymagania dotyczące silników Silniki pracujące w układach z przemiennikami częstotliwości narażone są na zjawiska związane z zasilaniem napięciem odkształconym, jak również na pogorszenie chłodzenia przy małych prędkościach obrotowych. Pierwszy z tych problemów można ograniczać po stronie przemiennika przez zastosowanie filtrów wygładzających napięcie wyjściowe z falownika. Pozwala to na zastosowanie przemiennika do silnika zwykłej konstrukcji (np. już istniejącego). Z kolei producenci silników oferują silniki o konstrukcji specjalnie przystosowanej do zasilania z przemienników częstotliwości. Przystosowanie to sprowadza się do zwiększonego poziomu napięcia izolacji i izolowania łożysk. Pogorszenie chłodzenia przy małych prędkościach jest z kolei zależne od stopnia obciążenia silnika i w przypadku aplikacji zmiennomomentowych (pompy, wentylatory) może nie stanowić problemu. W aplikacjach stałomomentowych (np. taśmociągi) może być konieczne zastosowanie dodatkowego chłodzenia. Chłodzenie to odbywa się przez dodatkowy silnik, zasilany bezpośrednio z sieci umieszczony w jednej osi z silnikiem regulowanym i napędzający wentylator chłodzący ze stałą prędkością, niezależną od prędkości silnika regulowanego. 7. Ciągłość pracy przy krótkotrwałych zanikach napięcia Technologia Technologia Technologia Technologia Technologia Technologia Technologia Technologia W układach zasilania przemienników mogą się zdarzyć zaniki zasilania, które dzięki funkcjonowaniu automatyki SZR mogą być krótkotrwałe. Z punktu widzenia możliwości utrzymania ciągłości pracy przemiennika decydujący jest poziom obniżenia napięcia w obwodzie DC, jaki towarzyszy takim zanikom. Okazuje się, że duże znaczenie ma tutaj samo obciążenie przemiennika, a właściwie obciążenie silnika. I to zarówno, jeżeli chodzi o wielkość tego obciążenia, jak i jego charakter. Przy bardziej obciążonym silniku ubytek napięcia w obwodzie DC jest szybszy i czas zadziałania SZR-u może być zbyt długi, aby zapewnić ciągłość pracy. Z kolei przy obciążeniach o dużym momencie bezwładności (np. duże wentylatory) istnieje tendencja do podtrzymywania napięcia w obwodzie DC właśnie przez obciążenie. I wtedy mamy wystarczająco dużo czasu, aby zdążyła zadziałać automatyka SZR. Po powrocie napięcia zasilania napęd kontynuuje pracę, a dzięki funkcji lotnego startu powrót do obrotów sprzed zakłócenia może się odbywać w sposób płynny. 8. Ochrona przeciwporażeniowa Ochronę przeciwporażeniową przed dotykiem bezpośrednim (ochronę podstawową) zapewnia izolacja części czynnych oraz obudowy urządzeń. Działanie środków ochrony przeciwporażeniowej przed dotykiem pośrednim (ochrony dodatkowej) polega na szybkim samoczynnym wyłączeniu zasilania albo na obniżeniu napięcia dotykowego na dostępnych przewodzących częściach urządzenia do wartości bezpiecznej. Wymaga to osobnego rozpatrzenia dla obwodów wejściowych i wyjściowych przemiennika. W obwodach wejściowych ochronę dodatkową można zapewnić przez samoczynne wyłączenie zasilania za pośrednictwem bezpieczników ultraszybkich (ar, gr), które są niezbędne dla ochrony zwarciowej mostka prostowniczego przemiennika. W obwodach wyjściowych przemienniki są wyposażone w nadzwyczaj szybkie elektroniczne zabezpieczenie nadprądowe, które musi zapewnić ochronę tranzystorów falownika i jednocześnie nie daje szansy zadziałania bezpiecznikom. Poziom zadziałania tego zabezpieczenia jest programowalny i zwykle nie przekracza 2,5I n przemiennika. Wyłączenie impulsów sterujących tranzystory nie stanowi jednak galwanicznej przerwy w obwodzie i mimo swej szybkości nie może być uważane za wyłączenie zasilania w sensie ochrony przeciwporażeniowej. Nie można jednak temu zabezpieczeniu odebrać funkcji ograniczania prądu na zaprogramowanym poziomie. Przy zachowaniu ciągłości połączeń ochronnych i wyrównawczych zapewnia to ograniczenie napięcia dotyku do poziomu dopuszczalnego (50 VAC). Napięcie dotyku na rezystancji przewodu ochronnego wywołane prądem rzędu 2,5I n jest 92
Rys. 5. Przemiennik częstotliwości z falownikiem prądu Rys. 6. Elementy zabezpieczeń układu napędowego z przemiennikiem częstotliwości Rodzaj prostownika Numer harmonicznej Współczynnik 5 7 11 13 17 19 THD i Prostownik 6-pulsowy bez dławika 63% 54% 10% 6,1% 6,7% 4,8% 0,84 Prostownik 6-pulsowy z dławikiem 30% 12% 8,9% 5,6% 4,4% 4,1% 0,34 Prostownik 12-pulsowy 3,6% 2,6% 7,5% 5,2% 1,2% 1,3% 0,10 Prostownik aktywny PWM 2,6% 3,4% 3,0% 0,1% 2,1% 2,2% 0,06 Tabela 1. Według opracowania [8]
Sprzęgło Wirnik Przemiennik Obciążenie Rys. 7. Rozpływ prądów pojemnościowych w silniku i jego obciążeniu Rys. 8. Przepływ prądów zakłóceniowych w układzie napędowym z przemiennikiem częstotliwości
Rys. 9. Ochrona przeciwporażeniowa w układzie napędowym z przemiennikiem częstotliwości
Rys. 10. Regulacja wydajności w aplikacjach pompowych
bowiem tego rzędu, co spadek napięcia na przewodach czynnych podczas normalnej pracy. Aktualne przepisy nie wymagają skuteczności ochrony przeciwporażeniowej w sytuacji podwójnego uszkodzenia, ale sprawdzenie napięcia dotyku na silniku w pętli zwarcia z pominięciem przemiennika pozwala dodatkowo sprawdzić warunki ochrony przy założeniu niezadziałania ogranicznika (jednoczesne uszkodzenie izolacji doziemnej i ogranicznika prądu). Najistotniejszym więc warunkiem zapewnienia ochrony dodatkowej (ochrony przy uszkodzeniu) jest zapewnienie ciągłości przewodów ochronnych i wyrównawczych. Przewód ochronny łączący silnik z przekształtnikiem jest jednocześnie przewodem wyrównawczym. Występujące w aplikacjach przemienników częstotliwości prądy doziemne (prąd doziemny filtru RFI oraz prądy doziemne wynikające z pojemności kabla silnikowego i samego silnika) uniemożliwiają stosowanie w charakterze uzupełnienia ochrony podstawowej wyłączników różnicowoprądowych o prądzie zadziałania 30mA. Możliwe jest użycie wyłączników o prądzie zadziałania 100 lub 300mA i charakterystyce B lub U. Będzie to jednak środek ochrony dodatkowej, a nie uzupełnienie ochrony podstawowej. Z uwagi na możliwość przypadkowych zadziałań zastosowanie wyłącznika różnicowoprądowego wymaga indywidualnego podejścia do każdej aplikacji. 9. Oszczędności energii w aplikacjach pompowych i wentylatorowych Jednym z wymagań stawianym większości aplikacji pomp i wentylatorów jest możliwość regulacji wydajności tych maszyn. Regulacja ta pozwala na dostosowanie ilości tłoczonego czynnika do wymagań procesu technologicznego. Regulację wydajności można zrealizować przez: dławienie przepływu, zmianę prędkości obrotowej. Decyzja o wyborze jednej z tych metod przekłada się bezpośrednio na zużycie energii. Rys. 9 przedstawia charakterystyki pompy wraz charakterystyką instalacji w układzie współrzędnych H=f(Q). Można jednocześnie założyć, że dla pomp i wentylatorów obowiązują następujące zależności podstawowe: Moment: (5) Wydajność: (6) Ciśnienie: (7) Moc: (8) Na rys. 10 przedstawiono charakterystykę instalacji oraz rodzinę charakterystyk pompy dla różnych prędkości obrotowych (n 2 < n 1 < n n ). W warunkach znamionowych przy znamionowej prędkości nn i ciśnieniu H n osiągana jest wydajność znamionowa Q n (punkt 1). Zmniejszenie wydajności pompy do wartości Q 2 można osiągnąć dwoma sposobami. Pierwszym sposobem jest zmiana charakterystyki instalacji z A na B realizowana przez dławienie. Następuje przejście z punktu pracy 1 do 2. Przy niezmienionej prędkości obrotowej odpowiada temu tylko niewielkie zmniejszenie mocy pobieranej przez silnik. Część energii tracona jest bowiem w pompie i na dławionym zaworze. Podobny cel można osiągnąć także w inny sposób. Wystarczy bowiem zmniejszyć prędkość obrotową z wartości n n na n 2, a przy niezmienionej charakterystyce instalacji nastąpi przejście z punktu 1 do 3. Osiągamy więc założone zmniejszenie wydajności do wartości Q 2 przy ciśnieniu H 2 znacznie niższym od H n. Zgodnie z zależnością (8) w tym punkcie moc pobierana przez silnik wynosi: a więc jest znacznie niższa od mocy znamionowej P n. Analiza ta jest dość uproszczona, gdyż nie uwzględnia zmian sprawności pompy i silnika, ale z dużym przybliżeniem odzwierciedla zasadę osiągania oszczędności energii. Posiadając informacje o parametrach znamionowych pompy i silnika, a także o wydajnościach osiąganych w czasie, można oszacować oszczędności w kwh wynikające z modernizacji napędu i zastosowania przemiennika częstotliwości do regulacji prędkości obrotowej. (9), nr 4 (6) 2010 97
Można też obliczyć czas zwrotu takiej inwestycji. Wielu producentów przemienników częstotliwości zamieszcza na swoich stronach internetowych proste programy dedykowane do kalkulacji takich oszczędności. Podobne zależności występują również w aplikacjach wentylatorowych. 10. Przemienniki częstotliwości średniego napięcia Przedstawione oszczędności energii nabierają znaczenia w napędach dużej mocy, a więc szczególnie w napędach średniego napięcia. W połowie lat 1990. granicą opłacalności stosowania przemienników częstotliwości na średnim napięciu była moc 3 5 MW. Przy niższych mocach tańszym rozwiązaniem była przebudowa całego układu napędowego wraz z silnikiem na niskie napięcie. Obecnie granica ta jest już na poziomie 500 kw. W przypadku produkowanych obecnie przemienników średniego napięcia standardem jest szczególna (wyższa niż na niskim napięciu) dbałość o minimalizację wszystkich szkodliwych zjawisk związanych pracą przekształtnika, jak również o zwiększenie niezawodności urządzeń. Oferowane są rozwiązania z falownikami napięcia i z falownikami prądu. Od strony zasilania standardem jest prostownik o liczbie pulsów co najmniej 12 lub mostek aktywny, co przekłada się na niską zawartość harmonicznych wprowadzanych do sieci, a w przypadku mostka aktywnego na możliwość uzyskania współczynnika mocy bliskiego jedności w pełnym zakresie obciążenia. Najczęściej też przewidziana jest możliwość zwrotu energii do sieci. W przypadku falowników napięciowych odbywa się to za pomocą prostownika nawrotnego, a w falownikach prądowych zwrot energii do sieci jest cechą naturalną konfiguracji podstawowej. Mając na uwadze zmniejszenie awaryjności napędów najczęściej urządzenia te skonstruowane są w sposób pozwalający na łatwą wymianę fragmentów gałęzi mostków i kontynuację pracy z mniejszą mocą w przypadku awarii pojedynczego fragmentu. Na wyjściu standardem jest stosowanie falowników wielopoziomowych (w przypadku falowników napięciowych) lub filtrów wyjściowych, co z kolei zapewnia niską emisję zakłóceń od strony kabla silnikowego. Nie jest konieczne stosowanie kabli ekranowanych, a ich długość Technologia Technologia Technologia Technologia Technologia Technologia Technologia Technologia ogranicza tylko występowanie spadków napięcia. Nie ma też tak wysokich wymagań co do zwiększonego napięcia izolacji silników czy izolowania łożysk. Z tego względu możliwa jest modernizacja starszych napędów, bez konieczności wymiany silnika czy kabli. Oprogramowanie przemienników średniego napięcia często przewiduje możliwość synchronizowanego przełączenia na sieć (tzw. transfer synchroniczny). W aplikacjach, w których jeden przemiennik służy do sekwencyjnej pracy z wieloma silnikami (np. układy wielopompowe), synchronizowane przełączenie na sieć zapewnia minimalizację udarów prądowych podczas przełączania. Istnieją też aplikacje, w których zastosowanie przemiennika podyktowane jest tylko warunkami rozruchu silników, a regulacja prędkości nie jest potrzebna. Rozruch z pobieranym z sieci prądem na poziomie prądu znamionowego silnika pozwala bowiem na instalacje w miejscach o małej sztywności sieci bez obawy o nadmierne obniżenie napięcia. Literatura [1] Nowak M., Barlik R.: Poradnik inżyniera energoelektronika. Warszawa, WNT 1998. [2] Musiał E.: Badanie stanu ochrony przeciwporażeniowej w obwodach urządzeń energoelektronicznych. INPE Nr 80-81 2006. [3] Pytlak A., Świątek H.: Ochrona przeciwporażeniowa w układach energoelektronicznych. Warszawa, COSiW SEP 2002 [4] Zientek P.: Wpływ parametrów wyjściowych falowników PWM i kabla zasilającego na zjawiska pasożytnicze w silnikach indukcyjnych. Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 71/2005. Katedra Maszyn i Urządzeń Elektrycznych Pol. Śl. [5] PowerFlex 7000 Medium Voltage AC Drive (Air-Cooled) User Manual Rockwell Automation Publication 7000-UM150D-EN-P July 2002 [6] Drives&Motion Controllers Catalog Allen Bradley Publication D104 April 1991 [7] Pump Save 4.1. Energy Savings Calculator for Pump Drives. User s Manual. ABB 2008. [8] Guide to Harmonics with AC Drives ABB [9] PN-HD 60364-4-41:2007 Instalacje elektryczne niskiego napięcia Część 4-41: Ochrona dla zapewnienia bezpieczeństwa Ochrona przeciwporażeniowa. Mgr inż. Piotr Duda, absolwent Wydziału Elektrycznego Politechniki Śląskiej w Gliwicach, kierunek Przetwarzanie i Użytkowanie Energii Elektrycznej.Pracuje w pracowni projektowej firmy Energotest sp. z o. o., gdzie zajmuje się elektroenergetyczną automatyką zabezpieczeniową oraz energoelektronicznymi układami napędowymi. 98