PDF 400 kB - Wydział Elektryczny

Kozienice 2005
Przemiennik częstotliwości 1,8 MVA
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 24­ulsowy układ tyrystorowy złożony z czterech równolegle połączonych
prostowników 6­pulsowych. 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
Kozienice 2005
Przemiennik częstotliwości 1,8 MVA
Rys. 1. Schemat blokowy przemiennika częstotliwości 1,8 MV·A.
Rys. 2. Widok omawianego przekształtnika.
Prostownik tyrystorowy
Podczas wykonywania wstępnych projektów prostowników rozważano układ 12­pulsowy
z filtrami, różne układy 24­pulsowe 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 24­pulsowe: 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
Kozienice 2005
Przemiennik częstotliwości 1,8 MVA
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 IS. 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 – UDC, CH2 – IS);
c) układ przy obniżonym napięciu obwodu DC (CH1 – UDC, CH2 – IS).
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
Kozienice 2005
Przemiennik częstotliwości 1,8 MVA
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 – UDC, CH2 – IDC).
1 >
1) Ch 1: 20 Volt 500 ms
1 Volt 500 ms
2 ↓ 2) Ch 2:
2↓
Rys. 5. Napięcie wyjściowe prostownika w przy całkowitym wyłączeniu
i włączeniu obciążenia (CH1 – UDC, CH2 – IDC).
4
Kozienice 2005
Przemiennik częstotliwości 1,8 MVA
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
Kozienice 2005
Przemiennik częstotliwości 1,8 MVA
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
Kozienice 2005
Przemiennik częstotliwości 1,8 MVA
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
Kozienice 2005
Przemiennik częstotliwości 1,8 MVA
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