Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 79/008 9 Włodzimierz Koczara, Zbigniew Szulc Politechnika Warszawska, Warszawa NOWE TOPOLOGIE I STEROWANIE OBWODÓW WEJŚCIOWYCH PRZEMIENNIKÓW CZĘSTOTLIWOŚCI ŚREDNIEGO NAPIĘCIA UMOŻLIWIAJĄCE ICH SZEROKIE ZASTOSOWANIE NEW TOPOLOGIES AND CONTROL CONCEPT OF MEDIUM VOLTAGE POWER ELECTRONICS CONVERTS FOR WIDE APPLICATION Abstract: Paper presents power electronic drives with new topologies. Progress in medium voltage power electronic devices results in development of the converters with intermediate DC link current. Application of controlled converter, on the supply side, (instead of diode rectifier) provides reduction of harmonics of the current delivered to drive. Moreover phase of the current is also under full control. Therefore reactive power consumption is also controlled independently to the load. The drive equipped with current controlled input rectifier may be supplied from source representing low short circuit current. Topology of the supply the new drive from grid and from stand-by low power generation unit is described. After successful developing 800 kw/6kv pump drive a 4MW/6kV drive system was designed. The new drive is dedicated to replace conventional hydraulic coupling systems. 1. Wstęp Przemienniki częstotliwości średniego napięcia PCSN stosowane w praktyce przemysłowej do ostatnich lat (005) posiadały najczęściej niesterowalny obwód wejściowy (wielopulsowy prostownik diodowy rzadziej tyrystorowy do regulacji prądu ładowania kondensatorów w obwodzie DC lub prądu wyprostowanego). Konsekwencją tej topologii jest odkształcony przebieg prądu pobieranego przez PCSN ze źródła zasilającego. Współczynnik THDI tego prądu może wynosić przeciętnie: 40% 60% dla obwodu wejściowego 6 pulsowego, 10% - 15% dla 1 pulsowego, 6 10% dla 18 pulsowego i poniżej 6% dla 4 i 36 pulsowego. Ten odkształcony prąd odkształca napięcie zasilające i w zależności od mocy zwarciowej źródła napięcia w punkcie przyłączenia PCSN współczynnik THDU może osiągać wartości do kilku procent. Normy i przepisy podają dopuszczalne wartości tych współczynników w zależności od parametrów sieci zasilającej. Kąt przesunięcia fazowego pomiędzy pierwszą harmoniczną prądu i napięcia zależy również od topologii i sterowania obwodu wejściowego PCSN. Wprowadzone obecnie do praktyki przemysłowej PCSN posiadają obwody wejściowe z przekształtnikami zbudowanymi w oparciu o elementy półprzewodnikowe w pełni sterowane typu SGCTs. Taka topologia obwodu wejściowego pozwala kształtować prąd zasilający PCSN o małej wartości współczynnika THDI (kilka procent przy obciążeniu bliskiemu znamionowej wartości) oraz o minimalnym przesunięciu kątowym pomiędzy pierwszymi harmonicznymi prądu i napięcia zasilającego (rzędu kilku stopni) prawie w całym zakresie obciążeń. Te właściwości obwodu wejściowego PCSN pozwoliły zwiększyć zakres różnorodnych jego aplikacji. W niniejszym artykule zostaną przedstawione te właściwości jednego z kilku typów PCSN, coraz powszechniej stosowanych w przemyśle krajowym.. Topologia wybranego przemiennika częstotliwości SN Przedstawione w niniejszym referacie właściwości PCSN SA oparte o pomiary i badania regulowanego układu napędowego pompy wody sieciowej w jednej z krajowych elektrociepłowni. Na rys. 1 przedstawiono schemat obwodu głównego tego przemiennika.
30 Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 79/008 SGCT L SGCT 3xL1 M 3xC1 Rys. 1. Schemat obwodu głównego badanego PCSN 3xC Rozpatrywany PCSN oparty jest o strukturę przemiennika częstotliwości prądu. W obwodzie prądu wyprostowanego znajduje się dławik (L) z dwoma uzwojeniami na wspólnym rdzeniu ze szczeliną. Obwód wejściowy przemiennika składa się z trzech dławików w fazach zasilających (3 L1), trzech kondensatorów (3 C1) (połączonych w gwiazdę) przyłączonych do zacisków wejściowych przekształtnika zbudowanego z sześciu zaworów w pełni sterowanych. Każdy zawór stanowią trzy elementy półprzewodników typu SGCTs połączone szeregowo. Napięcie znamionowe każdego z nich wynosi 6,5kV a prąd znamionowy 300A. Elementy 3 L1 wraz z 3 C1 stanowią magazyn energii elektrycznej, który sterowany przez przekształtnik wejściowy kształtuje prąd zasilający PCSN. Podobny przekształtnik znajduje się na wyjściu przemiennika, który dzięki kondensatorom 3 C kształtuje prąd i napięcie zasilające silnik. Sterowanie elementów SGCTs oparte o systemy cyfrowe są identyczne dla obu przekształtników. Cały układ napędowy pracuje przy zastosowaniu metody wektora prądu silnika. 3. Parametry mocy zasilającej PCSN Badany układ napędowy z PCSN w rzeczywistości został przyłączony do sieci zasilającej poprzez transformator dwuzwojeniowy w celu separacji zastosowanego silnika, który był eksploatowany już kilkanaście lat. Moc tego transformatora wynosi 150kVA a napięcie zwarcia 6%, przekładnia 6kV/6kV. Pomijając reaktancję zwarcia sieci zasilającej, wartość mocy zwarciowej po stronie wtórnej transformatora wynosi S Z = 0,8MVA a więc jest małą wartością (typowe wartości sieci zasilającej 6kV w rozdzielniach EC wynoszą powyżej 100MVA). Parametry silnika wynoszą: P N = 800kW, U N = 6kV, I N = 89,5A, n S = 1500obr/min cosφ N = 0.9. Obciążenie eksploatacyjne w chwili obecnej ilustrują wartości prądu zasilania PCSN, które zmieniają się od wartości minimalnej I min = 15,1A (1,6%I TN ) do I max = 77,8A (64,9%I TN ). Powyższe wartości są wartościami skutecznymi a prąd I TN stanowi wartość znamionową prądu transformatora wejściowego. Na rys. i rys. 3 podano oscylogramy prądów i napięć fazowych strony wtórnej transformatora dla obciążenia minimalnego i maksymalnego. Rys.. Przebiegi prądów i napięć strony wtórnej transformatora zasilającego PCSN przy minimalnym obciążeniu
Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 79/008 31 Rys. 3. Przebiegi prądów i napięć strony wtórnej transformatora PCSN przy maksymalnym obciążeniu. Parametry tych przebiegów i mocy na wyjściu transformatora przedstawiono w tabeli 1. Tabela 1. Parametry prądu i napięcia wejściowego PCSN Obciążenie minimalne Obciążenie maksymalne I Lmax = 64,9% I lmin = 1,6% U L1RMS = 356V U L1RMS = 351V U L1 = 100% U L1 = 100% U L5 = 1,% φ U = 0.0 U L5 =,1% φ U = 0.0 U L7 =,5% U L7 = 1,3% U L17 = 1,7% U L13 = 1,% U L17 = 4,5% U L19 = 4,0% THDU = 3,76% THDU = 6,39% I L1RMS = 15,16A I L1RMS = 77,86A I L1 = 100% φ I = 16.8 I L5 = 14,9% I L7 = 9,9% I L17 = 10,1% I L1 = 100% φ I = 1.7 I L5 = 4,4% I L7 = 3,6% I L13 = 1,3% I L17 = 3,9% I L19 = 3,0% THDI = 38,61% THDI = 7,87% Analizę mocy przepływającej przez transformator najlepiej dokonać przy pomocy teorii składowych fizycznych prądu (ang CPC Currents Physical Component s) przy przebiegach odkształconych [1]. Moc pozorna na wyjściu transformatora wynosi: = P + DS + Q D U (1) S + przy czym: S moc pozorna P moc czynna D S moc rozrzutu Q moc bierna D U moc niezrównoważeniowa Bardzo ważną właściwością w układach napędowych dużych mocy z PCSN jest sprawność energetyczna związana z mocą czynną P. moc pozorna stosowana jest natomiast do wymiarowania parametrów transformatora. Ogólnie można napisać, że moc czynna ma dwie składowe: P= P D P C () P D = P h (3) P = h N D C P h h N C (4) przy czym: P D moc generowana przez wyższe harmoniczne przy przepływnie energii z transformatora do PCSN P C moc generowana przez wyższe harmoniczne przy przepływie energii z PCSN do transformatora N D zbiór rzędów harmonicznych generowanych przez transformator N C zbiór rzędów harmonicznych generowanych przez PCSN W tabeli Nr zostały przedstawione wartości P D i P C w procentach wyznaczone doświadczalnie. Tabela. Moce wyższych harmonicznych P D i P C w [%] mocy pierwszej harmonicznej transformatora Obciążenie min. Obciążenie max. P D1 = 141,9kW P D5 = 0,055% P D7 = 0,3% P C17 = - 0,16% P D1 = 80,5kW P D7 = 0,035% P C5 = -0,063% P C13 = -0,017% P C17 = -0,5% P C19 = -0,19% Na podstawie tych wyników można stwierdzić, że do obliczeń sprawności i strat mocy w transformatorze zasilającym PCSN wystarczy rozpatrywać moc pierwszej harmonicznej (P D1 ). W transformatorze największe straty mocy powstają w rezystancjach uzwojeń i obwodzie magnetycznym. Straty w rezystancji R uzwojeń pochodzące od wyższych harmonicznych [] można obliczyć według zależności: P Cuh = RI1 (THDI) (5) Straty w obwodzie magnetycznym pochodzące od wyższych harmonicznych napięcia wyznaczyć można z wyrażenia []:
3 Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 79/008 Feh = k n h= U h f α h (6) Przy czym: I 1 pierwsza harmoniczna, k współczynnik proporcjonalności, U h harmoniczna napięcia rzędu h, f h częstotliwość h-tej harmonicznej. Na podstawie zależności (5) i (6) wyznaczono dodatkowe straty w rezystancjach uzwojeń wtórnych ( Cuh ) i w obwodzie magnetycznym ( Feh ) transformatora zasilającego PCSN. Straty te zostały przedstawione w [%] strat znamionowych CuN i FeN (przy sinusoidalnym napięciu i prądzie o wartościach znamionowych). Wyniki zestawiono w Tabeli 3 dla minimalnego i maksymalnego obciążenia. Tabela 3. Straty dodatkowe w transformatorze od wyższych harmonicznych Obciążenie min. I 1min = 1,6% Obciążenie max. I 1max = 64,9% =,1% = 15,9% Feh Cuh = 0,4% Feh Cuh = 0,6% 4. Zasilanie PCSN z różnych źródeł energii elektrycznej Nowoczesne technologie oraz bezpieczeństwo ludzi wymagają dużej pewności pracy różnych urządzeń elektrycznych. Wśród tych urządzeń ważne miejsce zajmują układy napędowe. MD G 3 PCSN PCSN1 Wśród układów napędowych dużej mocy należy wymienić napędy wentylatorów głównych w kopalniach, napędy pomp wody zasilającej w elektrowniach, elektrociepłowniach i ciepłowniach itp. Na rys. 4 został przedstawiony układ napędowy z regulowanym silnikiem indukcyjnym klatkowym dużej mocy SN zasilany przez dwa PCSN zasilane z dwu źródeł energii elektrycznej. Jedno źródło podstawowe (SZ1) stanowi linia energetyczna obiektu, w którym pracuje silnik napędowy. Drugim źródłem jest agregat prądotwórczy (MD+G) średniego napięcia. Zanik napięcia w źródle podstawowym uruchamia po pewnym czasie (najczęściej do 15s) agregat prądotwórczy gotowy do pracy w każdej chwili. Jeżeli czas rzędu kilkunastu sekund jest zbyt długi jako dopuszczalny czas braku zasilania to można zastosować jako źródło energii elektrycznej urządzenie typu UPS i superkondensatory pracujące do chwili uruchomienia agregatu prądotwórczego. Możliwość zastosowania powyższych źródeł rezerwowych energii elektrycznej wynika z niewielkiego oddziaływania PCSN o właściwościach przedstawionych powyżej. Przedstawiona na rys. 4 zasada pracy równoległej dwóch PCSN zasilanych z dwóch źródeł umożliwia sterowanie silnikami o bardzo dużych mocach (powyżej 10MW). SZ1 Rys. 4. Układ napędowy o dużej pewności działania 5. Przykład zastosowania układu napędowego o dużej pewności działania i wysokiej sprawności Przykładem aplikacji, która ma być realizowana w najbliższych latach i oparta o właściwości PCSN przedstawione powyżej jest modernizacja pompy wody zasilającej z silnikiem klatkowym o mocy 4MW i napięciu 6kV. M 3 MR W oparciu o schemat, który został przedstawiony na rys. 4 dobrano parametry PCSN [3] i agregatu prądotwórczego [4]. Przeprowadzenie modernizacji tego układu napędowego wynika z kończącego się czasu życia technicznego dotychczas stosowanego układu napędowego wykonanego przy użyciu sprzęgła hydrokinetycznego. Możliwe są trzy rozwiązania. Pierwsze to zastosowanie nowego dotychczas stoso-
Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 79/008 33 wanego układu. Drugie to aplikacja nowego typu sprzęgła o nazwie VORECON charakteryzującego się znacznie większą sprawnością energetyczną niż obecne. Trzecie rozwiązanie to właśnie układ napędowy z PCSN. Na rys.5 zostały przedstawione przebiegi sprawności energetycznej tych trzech układów w funkcji prędkości obrotowej. Zastosowanie PCSN oprócz wymaganej zwiększonej pewności pracy zaoszczędzi: E1 = 350MWh w stosunku do aplikacji klasycznego sprzęgła hydrokinetycznego i E = 1067MWh w porównaniu z układem napędowym typu VORECON. Przeprowadzenie analizy techniczno ekonomicznej pozwoli wybrać najlepsze rozwiązanie. CV, CH, CF 100 90 80 70 60 50 η CF η CV η CH 40 Rys. 5. Sprawność całkowita układów napędowych z przemiennikiem częstotliwości (η CF ), z sprzęgłem hydrokinetycznym (η CH ) i z VORECONEM (η CV ) 6. Podsumowanie 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 Przedstawione właściwości PCSN o nowej topologii obwodów wejściowych pozwalają na następujące wnioski: niewielkie oddziaływanie PCSN na źródło zasilania energii elektrycznej umożliwia stosowanie rezerwowych źródeł o małej mocy zwarciowej, ale krótkim czasie przygotowania do pracy sterowany obwód wejściowy PCSN pozwala uzyskiwać niewielkie przesunięcie pomiędzy prądem i napięciem wejściowym (kilka do kilkunastu stopni elektr.) co umożliwia regulować głównie mocą czynną pierwszej harmonicznej wysoka sprawność energetyczna całego układu napędowego (PCSN, transformator, silnik) sprawia, że jest on najefektywniejszy w większości aplikacji n/n N [%] praktycznie nie występują ograniczenia, jeśli chodzi o wartość mocy silnika, a standardem jest napięcie 6kV 6,6kV. 7. Literatura [1]. Czarnecki L.: Moce w obwodach elektrycznych z niesinusoidalnymi przebiegami prądów i napięć. OWPW Warszawa 005. []. Przybylski J., Szulc Z.: Wpływ struktury obwodu wejściowego PCSN na efektywność układu napędowego. Maszyny Elektryczne Nr 73/005 KOMEL. [3]. Przemiennik częstotliwości średniego napięcia. Katalog Rockwell Automation 006. [4]. Agregaty prądotwórcze. Katalog Horus Energia Warszawa 007.
34 Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 79/008