Przemiennik częstotliwości 1,8 MV A dr inż. R. Bugyi, dr inż. P. Biczel *, mgr inż. A. Jasiński, mgr inż. M. Kłos ** APS Energia Sp. z o.o. Wprowadzenie Współczesna elektronika mocy znajduje coraz szersze zastosowanie w układach energetycznych. Nowoczesne półprzewodniki mocy oraz bardzo szybkie specjalizowane układy mikroprocesorowe pozwalają na tworzenie bardzo zaawansowanych przekształtników. Rozwój ten jest ukierunkowany na stosowanie coraz lepszych układów pod względem funkcjonalnym oraz na zwiększenie przetwarzanych mocy. w efekcie przekształtniki energoelektroniczne znajdują coraz szersze zastosowania. Oprócz znanych dotychczas zastosowań w niewielkich układach zasilania, UPS, układach napędowych, filtrach aktywnych itp., zaczynają odgrywać decydującą rolę w układach energetycznych dużej mocy takich jak: sprzęgi międzysystemowe, linie prądu stałego, napędy dużej mocy itd. Bardzo często przekształtniki elektroniczne wypierają elektromaszynowe układy przetwarzania. Decydujące znaczenie mają takie cechy tych urządzeń jak: bardzo dobra trwałość, bardzo wysoka sprawność, możliwość regulacji parametrów wyjściowych w szerokim zakresie, bardzo dobra dynamika, możliwość pracy ciągłej, łatwość zdalnego sterowania, nastawiania i włączania, możliwość włączenia w rozbudowane systemy sterowania i nadzoru, możliwość realizacji dotychczas niedostępnych funkcji. Bardzo dobrym przykładem takiego zaawansowanego układu jest statyczny przemiennik częstotliwości, który prezentujemy w niniejszym artykule. Przemiennik ma moc 1,8 MV A i jego zadaniem jest przekształcanie prądu przemiennego o częstotliwości 50 Hz w prąd przemienny o częstotliwości 60 Hz. Urządzenie to miało zastąpić tradycyjny przekształtnik maszynowy. Zadanie do wykonania Firma APS Energia została poproszona o przygotowanie statycznej przetwornicy częstotliwości, która miała spełniać szereg wymagań co do właściwości pobranego i wytwarzanego prądu oraz właściwości eksploatacyjnych. Do najważniejszych z nich należą: brak przerw konserwacyjnych, możliwość zdalnego włączenia i wyłączenia urządzenia, możliwość zdalnej kontroli wartości przebiegu wyjściowego, pobór sinusoidalnego prądu z sieci, generacja sinusoidalnego napięcia wyjściowego o stałej częstotliwości z możliwością regulacji częstotliwości i amplitudy. Dodatkowo zostały nałożone ostre reżimy dotyczące gabarytów układu. Zaproponowany został układ, którego schemat blokowy przedstawiono na rys. 1., a widok na rys. 2. Jako prostownik zastosowany został 24 ulsowy układ tyrystorowy złożony z czterech równolegle połączonych prostowników 6 pulsowych. Prostowniki zostały połączone z siecią średniego napięcia poprzez transformator o specjalnej konstrukcji do przekształtników wielopulsowych. Falownik został skonstruowany jako układ czterech równolegle połączonych falowników trójgałęziowych. Równoległe połączenie miało tu za zadanie osiągnięcie wymaganej mocy układu. Falownik zasila odbiorniki poprzez transformator 60 Hz połączony w układ trojkąt/trójkąt. * także pracownik naukowy Instytutu Elektroenergetyki Politechniki Warszawskiej ** także doktorant na Wydziale Elektrycznym Politechniki Warszawskiej 1
Rys. 1. Schemat blokowy przemiennika częstotliwości 1,8 MV A. Rys. 2. Widok omawianego przekształtnika. Prostownik tyrystorowy Podczas wykonywania wstępnych projektów prostowników rozważano układ 12 pulsowy z filtrami, różne układy 24 pulsowe lub układ prostowników diodowych z czoperami. Przeprowadzone zostały obszerne badania symulacyjne proponowanych rozwiązań. Podstawowym ograniczeniem były tu gabaryty układu i dopuszczalne odkształcenie prądu wejściowego. Na prostownik wraz z układami pomocniczymi i przyłączami od transformatora przewidziano niewielki obszar o wymiarach 140 120 230 cm. Natomiast całkowity współczynnik zawartości wyższych harmonicznych (THD) prądu pobieranego z sieci miał być mniejszy niż 8%. Parametry wewnętrzne przemiennika mogły zostać dobrane dowolnie przez producenta. Wartość nominalna napięcia obwodu pośredniczącego (napięcia wyjściowego prostownika) została więc tak dobrana, żeby prostownik pracował w zakresie bardzo małych kątów opóźnienia załączenia tyrystorów. Istniejąca możliwość regulacji ma na celu jedynie niewielkie korekty tego napięcia w zależności od zmian obciążenia układu. Biorąc pod uwagę warunek na kształt prądu pobieranego z sieci, badania symulacyjne wykazały, że najlepszymi rozwiązaniami są być prostowniki 24 pulsowe: tyrystorowy lub diodowy z regulatorem napięcia w postaci czoperów. Układy te mają podobne współczynniki THD prądu wejściowego. Do realizacji, ze względu na gabaryty, został wybrany prostownik tyrystorowy. 2
Po wykonaniu prostownika przystąpiono do badań układu. Celem, było wykazanie, że układ spełnia założone parametry oraz sprawdzenie zachowania się ukłądu w różnych stanach pracy. Pierwszym kontrolowanym parametrem był kształt prądu pobieranego z sieci I S. Mierzono prąd wejściowy transfomatora wejściowego. Układ pomiarowy tworzył przekładnik prądowy, sonda prądowa i oscyloskop. Rys. 3.a) prezentuje wynik pomiaru dla pełnego prądu obciążenia, rys. 3.b) dla obniżonego napięcia obwodu prądu stałego do minimalnej wartości projektowanej. a) b) Rys. 3. Badanie prądu wejściowego prostownika: a) układ w warunkach nominalnych (CH1 U DC, CH2 I S); c) układ przy obniżonym napięciu obwodu DC (CH1 U DC, CH2 I S). W wypadku przebiegu w warunkach nominalnych (rys. 3.a)uzyskano THD równe 4,5% natomiast dla napięcia obniżonego (rys. 3.b) wspólczynnik THD wyniósł 7,3 %. Na tej podstawie stwierdzono, że prostownik spełnia wymagania w odniesieniu do prądu wejściowego. 3
Następnie przeprowadzone zostały badania dynamiczne prostownika. Sprawdzono zmiany napięcia w obwodzie pośredniczącym prądu stąłego w zależności od zmian obicążenia. Badania te miały na celu stwierdzenie czy prostownik w całym zakresie dopuszczalnych obciążeń utrzymuje napięcie obwodu prądu stąłego. Utrzymanie tego napięcia na stałym poziomie jest ważne z punktu widzenia pracy falownika. Wyniki badań prezentują rys. 4. i 5. w wypadku bania przedstawionego na rys. 4. badano skokowe zmiany obciążenia, natomiast podczas badania z rys. 5. badano reakcję prostownika na całkowite załączenie i wyłączenie obciążenia. Rys. 4. Napięcie wyjściowe prostownika przy zmianach prądu obciążenia (CH1 U DC, CH2 I DC). 1 > 1) Ch 1: 20 Volt 500 ms 2 2) Ch 2: 1 Volt 500 ms 2 Rys. 5. Napięcie wyjściowe prostownika w przy całkowitym wyłączeniu i włączeniu obciążenia (CH1 U DC, CH2 I DC). 4
Przedstawione wyniki badań prostownika pozwalają stwierdzić, że skonstruowany układ spełnia założone parametry statyczne i dynamiczne oraz dostarcza energię do falownika w sposób umożliwiający zapewnienie zamówionych parametrów napięcia wyjściowego. Falownik Falownik został skonstruowany jako równoległe połączenie czterech falownikó trójgałęziowych. Konstrukcja ta została podyktowana z jednej strony sposobem podłączenia odbiorników, a z drugiej dostępnymi elementami półprzewodnikowymi. Odbiorniki przyłączane są za pomocą lini trójfazowej trójprzewodowej. Niepotrzebne jest więc stosowanie układu czterogałęziowego. Do budowy falownika wykorzystano zespolony moduł tranzystorów IGBT produkcji firmy Semikron zwany SKiiP. Jest to zabudowany układ wielu tranzystorów połączonych w ten sposób, że tworzą równolegle gałęzie półmostka, wraz z układami stterowania bramek. Układy sterowania pozwalają na sterowanie tranzystorów przy pomocy światłowodów. Konstrukcja taka ogranicza możliwość pojwienia się zakłóceń w pracy tranzystorów. Ma to krytyczne znaczenie dla poprawności i bezpieczeństwa pracy falownika. Układ sterowania modułu SKiiP zapewnia też niskopoziomowe zabezpieczenie przed przypadkowym zwarciem gałęziowym i przeciążeniem tranzystorów. Rozwiązanie to stanowi dalsze zabezpieczenie falownika na wypadek zakłóceń lub awarii układu sterowania. Układ sterowania falownika jest skomplikowanym układem wieloprocesorowym. Współpracują ze sobą dwa rpocesory DSP Texas Instrumensts i dwa układy typu FPGA. Część cyfrowa połączona jest z analgowymi wzmacniaczami pomiarowymi, które służą do pomiaru prądów w poszczególnych gałęziach oraz napięć wyjściowych. Oprócz funkcji związanych ze sterowaniem tranzystorów układ ten realizuje zaawansowane zadania komunikacyjne. Falownik bowiem komuniuje się układem nadzoru SAN3. Dzięki temu możliwe jest zdalne nastawianie parametrów napięcia wyjściowego takich jak amplituda i częstotliwość. Falownik został również poddany serii prób, która miała na celu sprawdzenie poprawności działania i spełnienia założonych parametrów. Badano prądy gałęziowe falownika, dokładność stabilizacji napęcia wyjściowego, zachowanie falownika podczas zwarcia na wyjsciu układu. Obserwacja prądu gałęziowego pozwala na stwoerdzenie poprawności zastosowanego algorytmu sterowania. Na rys. 6. i 7. przedstawiono oscylogramy przebiegów prądu w wybranej gąłęzi falownika w w stanie pracy jałowej i pod obciążeniem. Przebiegi te pozwalają stwierdzić, że falownik pracuje poprawnie w stanach statycznych. Prąd płynący w stanie jałowym to głównie prąd magnesowania transforamtora wyjściowego. Rys. 6. Przebieg prądu w wybranej gałęzi falownika przed filtrem wyjsciowym w stanie jałowym. 5
Rys. 7. Przebieg prądu w wybranej gałęzi falownika przed filtrem wyjsciowym pod obciążeniem. Próby dynamiczne polegały przede wszystkim na sprawdzeniu działania regulatorów napięcia wyjściowego oraz zachowania się układu podczas zwarci na wyjściu transformatora. Wybrane przebiegi prądów i napięć wyjsciowych zarejestrowanych podczas badań regulatorów napięcia wyjściowego przedstawione są na rys. 8 i 9. Rys. 8 przedstawia załączenie maksymalnego obciążenia na wyjściu falownika. Natomiast rys. 9 przedstawia gwałtowne odciążenie falownika. Można zauważyć, że w obu wypadkach ma miejsce krótki stan przejsciowy. Stan ten trwa około dwóch okresów i polega na nieznacznym ugięciu napięcia wyjściowego. Jest to dopuszczalny poziom zakłócenia. Rys. 8. Stan przejściowy na wyjściu układu przemiennika częstotliwości przy gwałtownym załączeniu obciążenia (CH1 napięci wyjściowe, CH2 prąd wyjściowy). 6
Rys. 9. Stan przejściowy na wyjściu układu przemiennika częstotliwości przy gwałtownym odłączeniu obciążenia (CH1 napięci wyjściowe, CH2 prąd wyjściowy). Badanie zachowania się falownika podczas zwarcia na wyjściu układu ma szczególne znacznie dla bezpieczeństwa eksploatacji przemiennika. Bezpieczeństwo to należy rozumieć jako zapewnienie właściwego zadziałania zabezpieczeń w zasilanych liniach. Pewność ta jest niezbędna z punktu widzenia bezpieczeństwa pracy ludzi oraz zasilanych urzązeń. Urządzenia energoelektroniczne wyposażone są w szybkie układy wykrywania prądu zwarciowych. Układy te są niezbędne do ochrony półprzewodników przed zniszczeniem. Jednak każdy tego typu układ musi być w stanie utrzymać prąd zwarciowy na odpowiednim poziomie. Układ musi przez jakiś czas, zanim nastąpi wyłączenie awaryjne (w wypadku nieustąpienia zakłócenia), generować prąd przekraczający wartości nominalne. Rys. 10. przedstawia zapis próby zwarciowej układu. Widać na nim, że układ podtrzymuje prąd zwarciowy przez kilka okresów. Rys. 10. Reakcja falownika na zwarcie na wyjściu układu. 7
Podsumowanie Podsumowując należy stweirdzić, że zaproponowane rozwiązanie spełnia postawione mu wymagania. Zbudowany został układ, który generuje napięcie przemienne o częstotliwości 60 Hz i jednocześnie pobiera z sieci praktycznie sinusoidalny prąd. Układ przenosi moc czynną 1,4 MW, a pozorną 1,8 MV A jak było żałożone. Dopuszczalna jest regulacja napięcia wyjściowego w zakresie 440 do 490 V oraz częstotliwość przebiegu od 58 do 62 Hz. Całkowita sprawność układu wynosi około 92%. Układ może być obsługiwnay na kilka sposobów. Czynnosci obslugowe są bardzo proste i sprowadzją sie wyłącznie do włączania i wyłącznia układu oraz nastawiania parametrów napięcia wyjściowego. Czynności te mogą być wykonywane przy pomocy panelu operatorskiego, który znajduje się na drzwiach frontowych lub zdalnie z panelu operatora podstacji energetycznej. Układ jest wyposażony również w wyłącznik awaryjny. Zastosowanie nowoczesnej technologii na najwyższym światowym poziomie oraz wiedzy i doświadczenia polskich inżynierów i naukowców pozwoliło na wykonanie niezwykle skomplikowanego układu energoelektronicznego. Jest to pierwsza aplikacja o tak dużej mocy wykonana przez polską firmę. Myślimy, że jest to powód do dumy i nasz wkład w rozwój polskiej myśli technicznej. Bibliografia 1. R. Barlik, M. Nowak: Poradnik inżyniera energoelektronika. Warszawa WNT 1998. 2. A. Dmowski: Energoelektroniczne układy zasilania prądem stałym. Warszawa WNT 1998. 3. P. Szumowski: Praca równoległa autonomicznych falowników napięcia sinusoidlanego. Rozprawa doktorska. Politechnika Warszawska Wydział Elektryczny 2002. 4. Silizium Stromrichter Handbuch. BBC Aktiengesellschaft. Brown, Boveri & Cie., Baden Schweiz 1971. 8