Dominik Anrzej ÓKI 1, Janusz WIŚNIEWKI, Włozimierz KOCZAA Politechnika Warszawska, Instytut Automatyki i obotyki (1), Politechnika Warszawska, Instytut terowania i Elektroniki Przemysłowej () oi:10.15199/48.016.07.44 Bezczujnikowe przyłączenie o sieci generatora inukcyjnego klatkowego sterowanego przekształtnikiem elektronicznym treszczenie. W artykule przestawiono proces wspomaganego przekształtnikiem synchronizowanego przyłączenia o sieci wzbuzonego generatora inukcyjnego klatkowego napęzanego turbiną o nieregulowanej prękości obrotowej. Przekształtnik NPC kontroluje proces wzbuzenia generatora oraz stabilizuje amplituę napięcia generatora. kłay obierające energię ( hamujące ) w obwozie stałoprąowym przekształtnika umożliwiają synchronizację napięcia generatora i sieci bez pomiaru prękości. Po przyłączeniu generatora o sieci, równolegle połączony przekształtnik może pełnić funkcję regulowanego źróła mocy biernej. Abstract. The paper presents synchronization an connection to gri a squirrel-cage inuction generator riven by uncontrollable micro turbine. The excitation of the generator is provie by the NPC inverter. A generator an gri voltages synchronization is mae without spee sensor by using energy issipation systems locate in -link. When generator is connecte to gri, the NPC inverter may work as reactive power source. (ynchronize connection to gri of inverter excite inuction generator riven by micro turbine without spee sensor). łowa kluczowe: przekształtnik NPC, generator inukcyjny klatkowy, przyłączenie o sieci, źróło mocy biernej. Keywors: NPC inverter, cage inuction generator, gri connection, reactive power source. Wstęp eneratory inukcyjne znajują zastosowanie w ukłaach wytwarzania energii z silnikiem o spalaniu wewnętrznym, hyroelektrowniach czy elektrowniach wiatrowych. eneratory inukcyjne klatkowe najczęściej współpracują z prostymi turbinami małej mocy o nieregulowanej prękości obrotowej. Cechą eterminującą stosowanie generatora inukcyjnego w takich prostych ukłaach mechanicznych jest możliwość jego bezpośreniego przyłączenia o sieci energetycznej [1], []. Najczęstszym sposobem przyłączenia o sieci generatora inukcyjnego jest oprowazenie ukłau wirującego o wartości prękości jak najbliższej prękości znamionowej i przyłączenie generatora o sieci [3], [4], [5]. Takie przyłączenie generatora o sieci powouje przepływ prąu o wartości bęącej wielokrotnością prąu znamionowego generatora, co wywołane jest wstępnym magnesowaniem obwou magnetycznego generatora. Ponao prą ten wywołuje spaek napięcia w lokalnej sieci niskiego napięcia, co zakłóca pracę obiorników ołączonych o tej sieci [3], [4]. Zastosowanie równoległego przekształtnika ołączonego o sieci, pozwala ostarczyć niezbęną generatorowi moc bierną poczas przyłączania go o sieci, zmniejszając tym samym prą sieci i spaek napięcia wywołany przyłączeniem [3], [4]. Omiennym sposobem przyłączania generatora inukcyjnego o sieci jest wzbuzenie przekształtnikowe generatora [6], [7], a następnie zsynchronizowanie napięcia autonomicznego generatora z napięciem sieci. W [8] zaproponowano metoę synchronizowanego przyłączenia o sieci generatora inukcyjnego klatkowego, gzie wykorzystano wpływ obciążenia generatora na jego prękość wirowania. Moc pobraną z generatora wytraca się w ukłazie brake-chopper ołączonym o obwou pośreniczącego prąu stałego przekształtnika. W niniejszym artykule proponuje się metoę synchronizowanego przyłączenia o sieci, w której regulacji polega bezpośrenio częstotliwość napięcia stojana generatora [9], [10], [11], [1], w przeciwieństwie o regulacji prękości, gzie wymagany jest pomiar bąź jej złożona estymacja [8]. kła wytwarzania energii z generatorem inukcyjnym i równoległym przekształtnikiem energoelektronicznym chemat ukłau wytwarzania energii z generatorem inukcyjnym klatkowym i równoległym przekształtnikiem energoelektronicznym przestawiono na rys. 1. N ENEATO IEĆ i i u w u C f w P i P br_t B_T br_b B_B u _T u _B C _T C _B PE u ab Na_T.. Nc_B u bc br_b i b br_t i a ys.1. chemat ukłau wytwarzania energii z generatorem inukcyjnym klatkowym i równoległym przekształtnikiem elektronicznym (PEprzekształtnik energoelektroniczny, N- ukła napęzający). L P u P 1 a_t.. c_b KŁAD TEOWANIA u _B u _T u ab i Pa u bc i Pb 06 PZELĄD ELEKTOTECHNICZNY, IN 0033-097,. 9 N 7/016
kła napęzający generatora nie posiaa regulacji prękości obrotowej, ale posiaa zolność samozielnego rozpęzenia się o prękości przekraczającej prękość synchroniczną generatora. Do stojana generatora na stałe jest ołączona bateria konensatorów o pojemności C f, która nie powouje zjawiska samowzbuzenia generatora [13]. Do generatora inukcyjnego poprzez wyłącznik w P ołączany jest przekształtnik energoelektroniczny. Funkcję tą pełni trójpoziomowy przekształtnik o topologii NPC, który zapewnia mniejsze tętnienia prąu wyjściowego, w porównaniu o traycyjnego przekształtnika wupoziomowego, co pozwala na zmniejszeniu filtru inukcyjnego L P. Ponao topologia NPC, pomimo większej liczby łączników półprzewonikowych, umożliwia zmniejszenie strat mocy wzglęem strat porównywalnego przekształtnika wupoziomowego [14]. Do konensatorów obwou stałoprąowego przekształtnika przyłączone są ukłay obierające energię, w których wytracana jest energia pobierana z generatora poczas synchronizacji. Wzbuzony przekształtnikowo generator, po synchronizacji napięcia generatora z napięciem sieci, jest łączony z siecią wyłącznikiem w. W baaniach pomija się problemy z ziałaniem łączników, np. opóźnienie załączenia, niejenoczesność zwierania styków wyłącznika trójfazowego, itp. Moel symulacyjny opracowano w śroowisku symulacyjnym PowerIM. eneratory inukcyjne klatkowe mogą współpracować z różnoronymi typami ukłaów napęzających, które różnią się możliwością sterowania prękością obrotową, wartością prękości maksymalnej, zależnością momentu obrotowego o prękości, it. Zastosowany ukła napęzający posiaa zolność rozpęzenia się o prękości przekraczającej prękość synchroniczną generatora, a wytwarzany moment napęowy nie przekracza wartości T T. Charakterystykę zmienności momentu napęzającego t T w funkcji prękości obrotowej ω T można opisać równaniem: (1) t f ) T T exp( k [ ]), T ( T T T D TM T gzie: T T - moment obrotowy ukłau napęzającego; ω TM - prękość maksymalna ukłau napęzającego; k D - stała konstrukcyjna ukłau napęzającego charakteryzująca zależność strat momentu napęowego w funkcji prękości ω T ; stała przybiera wartości < 0,0 1,0 >. Wektorowe równanie prąowe ukłau wytwarzania energii z generatorem inukcyjnym i równoległym przekształtnikiem energoelektronicznym, zgonie z oznaczeniami schematu z rys. 1, przybiera postać: () i i i 0, a prą generatora i wynosi: (3) i i i 0, P C gzie: i - wektor prąu statora maszyny inukcyjnej; i C - wektor prąu baterii konensatorów C f. W ukłazie zastosowano moel trójfazowej i symetrycznej maszyny inukcyjnej klatkowej o liniowym obwozie magnetycznym. Wektorowe równania napięciowe la obwoów stojana i wirnika oraz równania strumieniowoprąowe wyrażone w ukłazie wirującym z owolną prękością ω K i z wielkościami wirnika sprowazonymi o obwou stojana przybierają postacie [15]: (4) u i j K, (5) 0 i j ( K E ), (6) L i L i, (7) L i L i, gzie: u, i, - wektory napięcia, prąu oraz strumienia skojarzonego z uzwojeniem stojana;, L - rezystancja i inukcyjność własna uzwojenia stojana; i, - wektory prąu oraz strumienia skojarzonego z uzwojeniem wirnika sprowazone o obwou stojana;, L - rezystancja i inukcyjność własna uzwojenia wirnika sprowazone o obwou stojana; L M - inukcyjność magnesowania; ω E - elektryczna prękość kątowa wirnika. Moment elektromagnetyczny generatora t wynosi: M M 3 * (8) t pb LM Im( i i ), gzie: p B - liczba par biegunów. ównanie równowagi zespołu wirującego: (9) JT T tt t, gzie: J T - sumaryczny moment bezwłaności zespołu wirującego; ω T - prękość obrotowa zespołu wirującego. Przekształtnik trójpoziomowy NPC zamoelowano zakłaając równomierny rozkła napięć na konensatorach obwou pośreniczącego prąu stałego przekształtnika u _T = u _B i zastępując każą z gałęzi iealnym łącznikiem trójstanowym. tan łącznika jest powiązany z sygnałami sterującymi łącznikami półprzewonikowymi. Możliwe stany przełączeń opisane są funkcją: 1, la z_t z_b 1i Nz_T Nz_B 0 (10) s z ( t) { 0, la z_t Nz_B 0 i Nz_T z_b 1, 1, la z_t z_b 0 i Nz_T Nz_B 1 gzie: z jest oznaczeniem fazy z= { a, b, c }; z_t, z_b, Nz_T i Nz_B są sygnałami sterującymi kolejnymi tranzystorami w gałęzi zaczynając o tranzystora ołączonego o potencjału oatniego obwou pośreniczącego prąu stałego przekształtnika; wartości { 0, 1} przy opisie stanów sygnałów sterujących oznaczają, opowienio, łącznik otwarty i zamknięty. Dla tak opisanej funkcji przełączeń wartość napięcia fazowego przekształtnika u Pz uśreniona za okres PWM wynosi: (11) 1 t u Pz s ( ) z, t Ts z u u T gzie: T jest owrotnością częstotliwości przełączeń T =1/f ; u jest napięciem obwou pośreniczącego prąu stałego przekształtnika bęącym sumą u _T i u _B ; z jest współczynnikiem wypełnienia. ównania napięciowe i prąowe przekształtnika przybierają postacie: (1) u z P ipz LP ipz z u 0, (13) 1 C u B u z ipz, B z a, b, c PZELĄD ELEKTOTECHNICZNY, IN 0033-097,. 9 N 7/016 07
gzie: u z - napięcie fazowe generatora; i Pz - prą fazowy przekształtnika; C - pojemność zastępcza obwou pośreniczącego prąu stałego przekształtnika bęąca sumą szeregowo połączonych pojemności C _B i C _T ; B - rezystancja zastępcza obwou pośreniczącego prąu stałego przekształtnika bęąca sumą szeregowo połączonych rezystancji B_B i B_T, B - uśreniony współczynnik wypełnienia sygnału sterującego łącznikami brake- chopper. kła sterowania przekształtnikiem (rys. ) jest zorientowany wzglęem wektora napięcia stojana generatora u [16]. Po przejściu z naturalnego ukłau oniesienia abc o ukłau xy wirującego zgonie z wektorem napięcia stojana generatora u tak, że oś x ukłau oniesienia wiruje współbieżnie z wektorem napięcia stojana generatora, następuje rozzielenie wektora prąu przekształtnika na skłaową w osi x i osi y, opowiaające opowienio za skłaową czynną i skłaową bierną prąu przekształtnika. Wartość zaana skłaowej y wektora prąu przekształtnika jest otrzymywana z regulatora moułu wektora napięcia stojana generatora weług zależności: (14) EF k ipy ( ) ( k ), T s gzie: s- operator Laplace a; k, T - wzmocnienie i czas zwojenia regulatora proporcjonalno- całkującego. Natomiast wartość zaana skłaowej x wektora prąu przekształtnika przyjmuje postać: (15) EF Px i k f ( u ( f EF f u f ) ( k ) ( k F k T ) s k F ), T s F gzie: s- operator Laplace a; k, T - wzmocnienie i czas zwojenia regulatora proporcjonalno- całkującego u ; k F, T F - wzmocnienie i czas zwojenia regulatora proporcjonalno- całkującego f ; k f - sygnał aktywujący regulację częstotliwości napięcia generatora i przyjmujący wartości: 0, la (16) k f {. 1, la f φ we wzorze (15) jest wartością wyjściową ukłau opasowania fazy napięcia generatora φ o fazy napięcia sieci φ i opisana jest zależnością: (17) f k sin cos, gzie: k φ jest sygnałem aktywującym ukła opasowania fazy napięcia stojana generatora z fazą napięcia sieci i przyjmującym wartości: (18) k { 0, la 1, la f f 0,5 i f f 0,5 f f 0,5 0,5. Wyznaczanie kąta i moułu napięcia stojana generatora i napięcia sieci przestawiono na rys. 3. Ze wzglęu na zakłócenia w napięciu generatora wywołanymi przełączeniami przekształtnika zastosowano filtrację skłaowych u x i u y za pomocą filtrów olnoprzepustowych. Ponao wykorzystując zmianę kątów położenia wektorów napięć wyznaczono bezpośrenio ich częstotliwości. Parametry przekształtnika i filtru inukcyjnego obwou prąu przemiennego przekształtnika przestawiono w tabeli 1. xy αβ ys.. chemat sterowania przekształtnikiem energoelektronicznym poczas synchronizowanego przyłączenia generatora o sieci (DFetektor różnicy faz; k f = { 0, 1} jest sygnałem aktywującym regulację częstotliwości napięcia stojana generatora f, k φ = { 0, 1} jest sygnałem aktywującym ukła opasowania fazy napięcia stojana generatora φ o fazy napięcia sieci φ ). Tabela 1. Parametry przekształtnika energoelektronicznego i filtru inukcyjnego AC. Parametr Pojemności konensatorów obwou pośreniczącego prąu stałego C _B = C _T ezystancje ukłaów hamujących B_B = B_T Inukcyjność filtru L P ezystancja filtru P Wartość, [mf] 10 [Ω] 1,8 [mh] 0, [Ω] 08 PZELĄD ELEKTOTECHNICZNY, IN 0033-097,. 9 N 7/016
1 Ts 1 1 Ts 1 arctg ( ) arctg ( ) k k chemat laboratoryjnej sieci zasilającej, przestawiono na rys. 4. ieć laboratoryjna skłaa się z szeregowo połączonego transformatora głównego 15,75/0,4 kv o mocy TN = 1000 kv A i transformatora laboratoryjnego 400/185 V o mocy TLN = 8 kv A o którego przyłączany jest generator inukcyjny o mocy P N = 7,5 kw (o parametrach poanych w tab. ). Porównywalna moc generatora o mocy transformatora, w moelowanym ukłazie, zapewnia przekroczenie opuszczalnych spaków napięć poczas bezpośreniego przyłączenia wirującego generatora. Wyniki symulacyjne bezpośreniego przyłączenia generatora inukcyjnego klatkowego o sieci laboratoryjnej N = 185 V przestawiono na rys. 5. Przyłączenie generatora wirującego z prękością n T = 1600 obr/min o sieci laboratoryjnej powouje przepływ prąu o wartości chwilowej i = 10 A i spaek napięcia wynoszący około 33% N. tan przeciążenia prąowego generatora utrzymuje się przez około 40 ms. ys.3. Wyznaczanie częstotliwości oraz współrzęnych biegunowych wektorów napięć: a) stojana generatora u ; b) sieci u. Przyłączenie wirującego generatora inukcyjnego klatkowego o sieci energetycznej Mikroelektrownie wyposażone w generatory inukcyjne są najczęściej przyłączane na końcowych ocinkach linii zasilających [3]. W terenach nisko zurbanizowanych sieci ystrybucyjne niskiego napięcia cechują się małymi mocami przesyłowymi oraz użymi impeancjami. tą generatory inukcyjne przyłączane są o szyn rozzielczych transformatorów N/nN, których moc TN oniesiona o mocy generatora P N nie spełnia warunku (19) [5], który gwarantuje nieprzekroczenie opuszczalnych spaków napięcia obiorników ołączonych o tego transformatora [17]: (19) TN P 5. N Tabela. Parametry maszyny inukcyjnej klatkowej. Parametr Wartość Moc znamionowa P MN 7,5 [kw] Napięcie znamionowe MN 3 x 0 [V] Prą znamionowy I MN 7,1 [A] Prękość znamionowa pracy silnikowej n MN 1450 [obr/min] Współczynnik mocy cosφ MN 0,8 ezystancja stojana Inukcyjność stojana L ezystancja wirnika sprowazona o obwou stojana Inukcyjność wirnika sprowazona o obwou stojana L Inukcyjność magnesująca L M Moment bezwłaności mas wirujących J T 0,38 [Ω] 33,8 [mh] 0,195 [Ω] 33,8 [mh] 3,5 [mh] 0, [kg m ] ys.5. Bezpośrenie przyłączenie generatora inukcyjnego klatkowego o mocy P N = 7,5 kw wirującego z prękością n T = 1600 obr/min o transformatora laboratoryjnego. Moment napęzający wynosi T T = 7 Nm: a) przebiegi napięć fazowych strony wtórnej transformatora laboratoryjnego; b) przebiegi prąów strony wtórnej transformatora laboratoryjnego. ys.4. chemat sieci laboratoryjnej obniżonego napięcia N = 185V. Przestawione na rys. 5 wyniki przestawiają bezpośrenie przyłączenie generatora o mocy P N = 7,5 kw i napięciu N = 0 V o sieci laboratoryjnej o napięciu N = 185 V, uzyskanej zięki zastosowaniu transformatora laboratoryjnego o mocy TLN = 8 kv A. Prą rozruchowy generatora zależy o wartości napięcia zasilania, stą baania procesu przyłączenia generatora o sieci w warunkach obniżonego napięcia zasilania (w porównaniu o znamionowego napięcia generatora) mogą być PZELĄD ELEKTOTECHNICZNY, IN 0033-097,. 9 N 7/016 09
obarczone błęem. W celu sprawzenia wpływu napięcia zasilania na proces przyłączenia generatora o sieci zbuowano moel o ientycznej impeancji źróła zasilania i napięciu równym napięciu generatora N = N. Wyniki symulacyjne porównujące prą przyłączeniowy oraz napięcie fazowe poczas przyłączenia generatora o sieci o stałej impeancji i różnych napięciach przestawiono na rys. 6. Maksymalna wartość amplituy prąu przyłączeniowego la napięcia zasilającego równego N = 185 V wynosi około i MAX (185 V)= 10 A, a la napięcia zasilającego N = 0 V i MAX (0 V)= 140 A. Dla stałej impeancji sieci wzrost amplituy prąu przyłączeniowego jest proporcjonalny o wzrostu napięcia zasilania: opasowania fazy napięcia generatora o fazy napięcia sieci. y faza napięcia generatora zrówna się z fazą napięcia sieci φ = φ następuje włączenie w. Następnie przekształtnik energoelektroniczny zostaje wyłączony i ołączony o sieci. MAX (0) i (0V ) 0. MAX i (185V ) 185 Maksymalne spaki napięcia zasilającego wywołane prąem przyłączeniowym la obu wartości napięć są ientyczne i wynoszą 33% N. Baania symulacyjne synchronizowanego przyłączenia generatora o sieci energetycznej Algorytm synchronizowanego przyłączenia o sieci wirującego z prękością nasynchroniczną generatora inukcyjnego klatkowego przestawiono na rys. 7. a) b) 00,0 100,0 0,0-100,0-00,0 100,0 0,0-100,0 0,0 N = 0 V 0,0 0,04 przyłączenie generatora 0,04 0,08 0,1 0,16 0, N = 0 V N = 185 V N = 185 V 0,08 0,1 0,16 0, t [s] ys.6. Porównanie procesów bezpośreniego przyłączenia generatora inukcyjnego klatkowego o mocy P N = 7,5 kw i napięciu N = 0 V o sieci o stałej impeancji i wartościach napięcia N = 185 V oraz N = 0 V. Moment napęzający i prękość obrotowa wynoszą opowienio T T = 7 Nm i n T = 1600 obr/min: a) przebieg napięcia fazowego sieci; b) przebieg prąu sieci. Proces wspomaganego przekształtnikiem bezuarowego przyłączenia generatora o sieci energetycznej rozpoczyna się o rozpęzenia zespołu wirującego o prękości nasynchronicznej, a następnie wzbuzeniu generatora przy pomocy przekształtnika elektronicznego. Zastosowanie przekształtnika pozwala na pełną kontrolę procesu wzbuzenia i utrzymanie napięcia stojana generatora bliskiego napięciu sieci [6-1]. Po zrównaniu się moułu napięcia stojana generatora z moułem napięcia sieci = następuje pobieranie z generatora mocy czynnej i wytracanie jej w rezystorach hamujących przekształtnika. kutkuje to zmniejszeniem prękości zespołu wirującego, a tym samym zmniejszeniem częstotliwości napięcia stojana generatora. y różnica częstotliwości napięcia sieci i stojana generatora jest mniejsza niż 0,5 Hz następuje uruchomienie ukłau ys.7. Algorytm bezczujnikowej metoy kontrolowanego przekształtnikiem synchronizowanego przyłączenia wirującego z prękością nasynchroniczną generatora inukcyjnego klatkowego o sieci energetycznej. (n - prękość synchroniczna maszyny inukcyjnej) Wyniki ziałania proponowanej metoy przyłączenia generatora inukcyjnego klatkowego o sieci la moelu symulacyjnego przestawiono na rys. 8. Poczas próby prękość zespołu wirującego wynosi n T = 1600 obr/min, a moment napęowy wynosi T T = 7 Nm. Baania symulacyjne potwierzają skuteczność proponowanej bezczujnikowej metoy synchronizowanego przyłączenia o sieci wzbuzonego przekształtnikiem generatora inukcyjnego. Przyłączenie generatora o sieci nie powouje zakłóceń w napięciu sieci, a amplitua prąu sieci poczas przyłączenia nie przekracza połowy prąu znamionowego generatora 0,5 I MN. W czasie procesu synchronizacji, tj. wyrównania częstotliwości ( f f ) 0 i opasowania fazy napięcia stojana generatora o fazy napięcia sieci f φ 0, przekształtnik pobiera maksymalnie p P = 1 kw mocy czynnej i q P = -3 kvar mocy biernej, a amplituy prąów przekształtnika nie przekraczają i P = 15 A. Przestawiony proces wyrównywania częstotliwości rozpoczyna się la t= 0,5 s i trwa 1,7 s, a proces wyrównywania faz napięć sieci i generatora rozpoczyna się la t= 1,55 s i trwa około 0,4 s. Zastosowanie przekształtnika może zostać rozszerzone o funkcję źróła mocy biernej pobieranej z sieci w czasie pracy generatora. Wówczas po przyłączeniu generatora o sieci przekształtnik nie zostaje wyłączony, a jeynie zmienia strukturę sterowania. egulator amplituy napięcia 10 PZELĄD ELEKTOTECHNICZNY, IN 0033-097,. 9 N 7/016
generatora zostaje zastąpiony regulatorem mocy biernej sieci q, co zostało okłaniej opisane w [18], [19], [0]. Porównanie prąów przekształtnika i sieci oraz mocy czynnych i biernych sieci i generatora poczas przyłączenia synchronizowanego, la przypaku wyłączenia przekształtnika po przyłączeniu generatora i la przypaku kontynuacji pracy przekształtnika jako regulowanego źróła mocy biernej, przestawiono na rys. 9. [kvar] [kw] [A] [A] [kvar] [A] [A] [kw] ys.9. Kontrolowane przekształtnikiem synchronizowane przyłączenie o sieci wzbuzonego generatora inukcyjnego klatkowego- porównanie procesu przyłączenia bez i z kompensacją mocy biernej po przyłączeniu generatora o sieci: abc) prąy przekształtnika, prąy sieci i moce czynne i bierne sieci i przekształtnika bez kompensacji mocy biernej po przyłączeniu generatora o sieci; ef) prąy przekształtnika, prąy sieci i moce czynne i bierne sieci i przekształtnika z kompensacja mocy biernej po przyłączeniu generatora o sieci. ys.8. Baania symulacyjne bezczujnikowego procesu kontrolowanego przekształtnikiem synchronizowanego przyłączenia o sieci wzbuzonego generatora inukcyjnego klatkowego, który ołączony jest o ukłau napęzającego o wartości momentu napęowego T T = 7 Nm i prękości obrotowej n T = 1600 obr/min: a) napięcia fazowe sieci; b) prąy sieci; c) różnica częstotliwości napięcia sieci i częstotliwości napięcia stojana generatora; ) przebieg sygnału różnicy faz napięcia generatora i sieci; e) moc czynna i bierna przekształtnika; f) prąy przekształtnika. Prąy przekształtnika pracującego jako kompensator mocy biernej generatora nie zmniejszyły zauważalnie swojej wartości w porównaniu o pracy przekształtnika jako regulatora napięcia stojana generatora, gyż zarówno poczas wzbuzenia, synchronizacji, jak i pracy jako kompensator mocy biernej ominującą skłaową prąu przekształtnika jest skłaowa bierna. Amplitua prąu sieci bez kompensacji mocy biernej po przyłączeniu generatora nie przekracza i = 15 A, natomiast z zastosowaniem kompensacji nie przekracza i = 8 A. Wartości chwilowe mocy przekształtnika prze przyłączeniem generatora wynoszą opowienio: la skłaowej biernej q P = -3 kvar i skłaowej czynnej p P = 1 kw. Po przyłączeniu generatora moc bierna sieci wynosi q = 3 kvar, a moc czynna sieci p = -1 kw. Oznacza to, że w przypaku oawania o sieci PZELĄD ELEKTOTECHNICZNY, IN 0033-097,. 9 N 7/016 11
przez generator inukcyjny 1 kw mocy czynnej, pobierana jest z sieci moc bierna o wartości 3 kvar. Elektroniczna kompensacja mocy biernej pozwala niezbęną generatorowi moc bierną wytworzyć lokalnie q = 0, przez co o sieci jest oawana jeynie moc czynna. Przekształtnik pobiera wówczas moc bierną q P = -3 kvar i moc czynną o wartości bliskiej zeru, niezbęną o pokrycia strat w przekształtniku. Weryfikacja wyników z moelu symulacyjnego w ukłazie laboratoryjnym Wyniki baań moelu symulacyjnego zweryfikowano w ukłazie laboratoryjnym. olę ukłau napęzającego w ukłazie laboratoryjnym pełni silnik inukcyjny o mocy znamionowej P N = 7,5 kw i napięciu znamionowym N = 400 V, który zasilany jest z przemiennika częstotliwości z zastosowaniem sterowania wektorowego. kła napęowy umożliwia sterowanie prękością i ograniczanie maksymalnego momentu wytwarzanego w silniku. Na rys. 10 przestawiono oscylogram bezpośreniego przyłączenia o transformatora laboratoryjnego generatora inukcyjnego klatkowego wirującego z prękością n T = 1600 obr/min i z ograniczonym momentem napęowym o 15% momentu znamionowego silnika. Amplitua prąu przyłączeniowego sieci osiąga wartość 140 A i czterokrotność prąu znamionowego strony wtórnej transformatora I TDN. Zapa napięcia sieci wynosi 30% N. Przeciążenie transformatora oraz zapa napięcia w sieci utrzymują się przez około 40 ms. występuje zapa napięcia, a amplitua prąu sieci poczas przyłączenia nie przekracza i = 10 A. Na rys. 13 przestawiono oscylogram prezentujący moc bierną i czynną oraz prąy kompensatora poczas procesu synchronizacji napięć sieci i generatora. Moc czynna pobierana przez przekształtnik poczas synchronizacji wynosi około p P = 1 kw. Moc bierna przekształtnika zależna jest o obciążenia generatora. Poczas wzbuzenia wartość mocy biernej przekształtnika wynosi q P = -,7 kvar, a poczas synchronizacji wzrasta o około q P = -3,3 kvar. Prą przekształtnika pracującego jako kompensator mocy biernej sieci nie zmniejsza zauważalnie wartości, w porównaniu o wartości prąu przekształtnika poczas procesu synchronizacji. ys.11. Oscylogram przestawiający napięcie i prą strony wtórnej transformatora laboratoryjnego poczas synchronizowanego przyłączenia o sieci generatora inukcyjnego wirującego z prękością n T = 1600 obr/min. Moment napęzający został ograniczony o 15% momentu znamionowego silnika. Przekształtnik po przyłączeniu generatora o sieci został wyłączony. ys.10. Oscylogram przestawiający napięcie i prą strony wtórnej transformatora laboratoryjnego poczas bezpośreniego przyłączenia generatora inukcyjnego wirującego z prękością n T = 1600 obr/min. Moment napęzający został ograniczony o 15% momentu znamionowego silnika. Oscylogram z rys. 11 przestawia napięcie i prą strony wtórnej transformatora laboratoryjnego w chwili synchronizowanego przyłączenia wzbuzonego generatora inukcyjnego wirującego z prękością n T = 1600 obr/min i z ograniczonym momentem napęowym o 15% momentu znamionowego silnika. Po przyłączeniu generatora o sieci przekształtnik jest wyłączony. Amplitua prąu sieci poczas przyłączenia nie przekracza i = 0 A, a w napięciu sieci nie występuje zapa. Na rys. 1 przestawiono oscylogram napięcia i prąu strony wtórnej transformatora laboratoryjnego w chwili synchronizowanego przyłączenia generatora la przypaku, gy po przyłączeniu przekształtnik pracuje jako kompensator mocy biernej. W tym przypaku również nie u a u b u c [100V/iv] i a i b i c [0A/iv] przyłączenie generatora 10ms/iv ys.1. Oscylogram przestawiający napięcie i prą strony wtórnej transformatora laboratoryjnego poczas synchronizowanego przyłączenia o sieci generatora inukcyjnego wirującego z prękością n T = 1600 obr/min. Moment napęzający został ograniczony o 15% momentu znamionowego silnika. Przekształtnik po przyłączeniu generatora o sieci pracował jako kompensator mocy biernej. 1 PZELĄD ELEKTOTECHNICZNY, IN 0033-097,. 9 N 7/016
Posumowanie W artykule przestawiono problem przyłączania wirującego generatora inukcyjnego klatkowego o mocy P N = 7,5 kw o transformatora o mocy TLN = 8 kv A. Bezpośrenie przyłączenie wirującego z prękością n T = 1600 obr/min generatora o transformatora powouje prą łączeniowy o wartości amplituy ochozącej o i = 10 A i bęącej trzykrotnością amplituy prąu znamionowego generatora oraz zapa napięcia sieci wynoszący około 30% N. Zaproponowano i przestawiono wyniki bezczujnikowej metoy synchronizowania napięć stojana generatora i sieci z wykorzystaniem przekształtnika NPC i oatkowego elektronicznego ukłau hamującego la moelu symulacyjnego. Zaproponowana metoa pozwoliła obniżyć amplituę prąu przyłączeniowego sieci o i = 15 A i całkowicie usunąć zapa napięcia sieci, la przyłączenia generatora o mocy poobnej o mocy transformatora. Ponao omówiono i przestawiono wykorzystanie przekształtnika, po przyłączeniu o sieci generatora, jako kompensatora mocy biernej. ynchronizowane przyłączenie generatora o sieci z przekształtnikiem pracującym jako kompensator mocy biernej sieci pozwoliło obniżyć amplituę prąu przyłączeniowego sieci o i = 8 A. W moelu laboratoryjnym zweryfikowano otrzymane la moelu symulacyjnego wyniki ziałania proponowanej bezczujnikowej metoy synchronizowanego przyłączenia o sieci generatora inukcyjnego. ys.13. Oscylogram przestawiający moc bierną i czynną oraz prąy przekształtnika poczas procesu synchronizacji napięcia stojana generatora i sieci. Prękość generatora wynosi n T = 1600 obr/min. Moment napęzający został ograniczony o 15% momentu znamionowego silnika. Przekształtnik po przyłączeniu generatora o sieci pracował jako kompensator mocy biernej. Praca jest częściowo finansowana z projektu rozwojowego nr N 01 0016 06/009 pt. "Inteligentny ukła kompensacji mocy biernej o elektrowni z maszynami inukcyjnymi" finansowanego przez Naroowe Centrum Baań i ozwoju. Autorzy: mgr inż. Dominik A. órski, Politechnika Warszawska, Instytut Automatyki i obotyki, ul. św. Anrzeja Boboli 8, 0-55 Warszawa, E-mail:.gorski@mchtr.pw.eu.pl; r inż. Janusz Wiśniewski, Politechnika Warszawska, Instytut terowania i Elektroniki Przemysłowej, ul. Koszykowa 75, 00-66 Warszawa, E-mail: janusz.wisniewski@isep.pw.eu.pl; prof. r hab. inż. Włozimierz Koczara, Politechnika Warszawska, Instytut terowania i Elektroniki Przemysłowej, ul. Koszykowa 75, 00-66 Warszawa, E-mail: koczara@isep.pw.eu.pl; LITEATA [1] Karolewski B., Ligocki P., kłay automatyki małej elektrowni wonej, Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Napęów i Pomiarów Elektrycznych Politechniki Wrocławskiej, nr 56, 4/004 [] Hickiewicz J., Moch J., Zagrożenia przy pracy generatorów w małych elektrowniach wonych, Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne, nr 79, 008, 133-137 [3] órski D.A., Wiśniewski J., Koczara W., tan przejściowy przyłączenia o sieci generatora inukcyjnego z energoelektronicznym kompensatorem mocy biernej, Przeglą Elektrotechniczny, nr 4b, 01, 80-86 [4] órski D.A., Wiśniewski J., Koczara W., ri connection transients of small hyropower generator, enewable Energy & Power Quality Journal, no 10, 01, 14-16 [5] ojewski W., obierajski M., Warunki pracy małej elektrowni wonej z generatorem inukcyjnym w sieci śreniego napięcia, Elektroenergetyczne sieci rozzielcze - IECI 004 V Konferencja Naukowo - Techniczna, 004 [6] Jakubowski B., Pieńkowski K.: Analysis an synthesis of converter control system of autonomous inuction generator with fiel oriente control, Archives of Electrical Engineering, vol. 6, 013, 67-79 [7] Jakubowski B., Pieńkowski K.: terowanie autonomicznym generatorem inukcyjnym ze wzbuzeniem przekształtnikowym, Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne, nr 88, 010, 13-18 [8] Meier C., chlumpf., trittmatter T., Jenni F.: oboust inuction generator concept with parallel excitation, Proceeings of International Exhibition an Conference for Power Electronics, Intelligent Motion, enewable Energy an Energy Management PCIM Europe 014, 0- May 014, 1-7 [9] Kasprowicz A., terowanie samowzbunym generatorem inukcyjnym la zastosowań w autonomicznych systemach zasilających, Zeszyty Naukowe Akaemii Morskiej w yni, nr 6, ru 009, 6-36 [10] ingh B., Murthy.., upta., Analysis an esign of electronic loa controller for self-excite inuction generators, IEEE Transactions on Energy Conversion, no 1, vol. 1, Mar 006, 85-93 [11] Petrea I.C., Ioan., Daniela M., Operation of an Inuction enerator Controlle by a VI Circuit, IEEE International ymposium on Inustrial Electronics, 04-07 Jun 007, 661-666 [1] Woei-Luen Chen, Cheng-Zhang Xie, Active Voltage an Frequency egulator Design for a Win-Driven Inuction enerator to Alleviate Transient Impacts on Power ri, IEEE Transactions on Inustrial Electronics, no 8, vol. 60, May 01, 3165-3175 [13] Molena P.: enerator asynchroniczny w sieci energetycznej, Zeszyty Problemowe- Maszyny Elektryczne, nr 79, 008 [14] Kamiński B., Biirectional witch Neutral Point Clampe threelevel inverter with sinusoial voltage output, Ph. D. Thesis, Warszawa, Lis 005 [15] Kaźmierkowski M.P., Tunia H., Automatic Control of Converter-Fe Drives, PWN, Warszawa, 1994 [16] Malinowski M., Kaźmierkowski M.P., Trzynalowski A.M., A Comparative tuy of Control Techniques for PWM ectifiers In AC Ajustable pee Drivers, IEEE Transactions on Power Electronics, no 6, vol. 18, Nov 003, 1390-1396 [17] Karolewski B., tochmiałek W.: Analiza ukłau zasilania małej elektrowni wonej, Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Napęów i Pomiarów Elektrycznych Politechniki Wrocławskiej, nr 65, s. 56-66, 011 [18] Koczara W., órski D., Iwański., Tępiński J., Wiśniewski J., Kompensacja mocy biernej generatorów inukcyjnych w małych elektrowniach wonych, XIII Konferencja Naukowo- Techniczna: Inwestycje w Energetyce Bezpieczeństwo, kok k. Bełchatowa, Polska, 05 06 Maj 011 [19] Tępiński J., Wiśniewski J., Koczara W., Kompensator mocy biernej la elektrowni wonej z generatorem inukcyjnym, Przeglą Elektrotechniczny, (01), nr 4b, 59-64 [0] Wiśniewski J., Koczara W., Follow-up control of variable reactive Power of cage inuction generator river by win turbine, 8 th International Conference an Exhibition on Ecological Vehicles an enewable Energies EVE 013, 7-30 Mar 013, 1-6 PZELĄD ELEKTOTECHNICZNY, IN 0033-097,. 9 N 7/016 13