09 mv_frekventni pretvaraci (1)

7/31/2019 09 MV_frekventni pretvaraci (1)

1/70

SREDNJENAPONSKIFREKVENTNI REGULATORI

ZA POGON ASINHRONIHMOTORA

Dr. arko Janda, dipl. ing., nauni saradnikElektrotehniki institut Nikola Tesla

www.ieent.org,[email protected]

1
http://www.ieent.org/http://www.ieent.org/


2/70

ta su srednjenaponski frekventni

regulatori? Srednjenaponski frekventni regulatori su invertori koji napajaju

kavezne motore nazivnog napona 6,0 ili 6,6 kV kod nas. U drugim

zemljama srednji napon moe biti i 2,3 kV, 3,3 kV, 4,16 kV i 10 kV. Postoje dve osnovne vrste srednjenaponskih frekventnih regulatora,

prema prirodi jednosmernog meukola i to su naponski i strujni.

Kod svih je implementirano vektorsko upravljanje brzinom motora,sa i bez senzora brzine, odnosno kao opcija uvek postoji i skalarnoupravljanje.


3/70

ZATO POSTOJI POTREBA ZASREDNJENAPONSKIM FREKVENTNIMREGULATORIMA BRZINE ASINHRONIH

MOTORA? Postoji zbog pogona velikih snaga, da bi preseci kablova bili

manji, odnosno da bi se snaga veliine od reda megavata donekoliko megavata mogla prebaciti na daljinu do nekolikokilometara (rastojanje izmedju frekventnog regulatora i motora).

3


4/70

Tipini potroai su pumpe u termoelektranama i sistemima vodovoda,ventilatori u termolektranama.

Kod upotrebe pumpi mora da se vodi rauna o pojavi vodenog udara ucevima (ako se suvie brzo zaustavlja tok vode kroz cevi) a kodventilatora je re o veoma velikoj inerciji. Inae glavna korist je uutedi energijepri regulisanju protoka fluida, u odnosu na reenja saprigunim ventilima na potisu.

Centrifugalne pumpe i ventilatori su pogodni takoe zato to momenatoptereenja zavisi od kvadrata brzine, tako da frekventni regulatoristartuju praktino neoptereeni.


5/70


6/70


7/70

Kod drugih vrsta pogona, kao to je pogon transportne trake, to nijesluaj. Kod transportne trake se pogon startuje sa punim momentom, ak

je potrebno u poetku obezbediti i vei momenat dok natovarena trakakrene (zamrznuta zimi,) a potom frekventni regulator i motor

obezbeuju potreban momenat uz postepeno poveavanje brzine, takoda nema pojava mehanike rezonanse i pojave mehanikogtransferzalnog talasa du trake.


8/70

A kako je to ranije raeno?

GTO tiristori kao prekidai, sloena snaberska kola, ne ba najpouzdanije


9/70

A kako je to ranije raeno? (pumpe)

Podsinhrona kaskada, uglavnom koriena za pogone pumpi u vodovodu


10/70

A kako je to ranije raeno? (pumpe)

Podsinhrona kaskada, mehanike karakteristike opseg podeavanja brzine 0,5 do 0,95

nominalne, problem gubitka komutacije pri propadu mrenog napona motor sa namotanimrotorom otpornik za start


11/70

A kako je to ranije raeno? (mlinovi za ugalj)

Hidrodinamika spojka se sastoji od jednog impelera (pumpe) iturbinskog kola. I impeler i turbinsko kolo sadre vie lopatica imontirani suna posebna vratila u zajednikom kuitu koje je delimino napunjeno sauljem. Impeler je montiran na motornom vratilu a turbina na koaksijalnomteretnom vratilu. Spojnica funkcionie na principu potiskivanju uljalopaticama impelera koji rotira; potisnuto ulje recirkulie oko kuita i dajeobrtni momenat koji pogoni turbinsko kolo.

Pri startu motor spojen za motorno vratilo spojnice naglo ubrzava, budui da

je momenat inercije impelera bitno manji od momenta inercije radnog tereta.Kada se postigne znaajna brzina pojavljuje se hidrodinamika spregaizmeu impelera i turbine i preneti momenat postepeno ubrzava radni teret.

Da bi spojnica mogla da prenosi momenat sa motornog vratila na teretnovratilo, mora da postoji razlika brzine teretnog vratila u odnosu na motorno.

Ta razlika brzine, odnosno gubitak brzine se zove hidraulino klizanje, idovodi do gubitka snage u hidrodinamikoj spojnici koja kliza. Iskorienje je = 1 s gde je s hidrauliko klizanje (3 4%) a ako se

menja brzina i vie


12/70

A kako je to ranije raeno? (mlinovi za ugalj)

Primarna karakteristika

2

punjenje 80%M1

Sekundarna karakteristika

1

0 100

n1 %

Mnom

70%

60%

50%40%

M2

Mnom

Mnom

0 100

n1 % S klizanje

Dijagram momenta hidrodinamike spojnice u zavisnosti od

koliine ulja


13/70

Slika VOITH 2. Skica VOITHove hidrodinamike spojnice promenljive brzinesa reduktorom, pogodne za sporohodne radne maine, recimo mlinove


14/70

NAPONSKI INVERTORI ZA POGONSREDNJENAPONSKIH MOTORA

Postoje dve osnovne topologije pretvaraa:

redna multielijska veza (Series power cell)

Multilevel ili sa invertorskim mostovima saklampovanom (naponski ogranienom)

srednjom takom

14


15/70

Novija reenja srednjenaponskih frekventnih regulatora iji supredstavnici firme MITSUBISHI , TMEIC, MAIDAN, YASKAWA(Japan), HYUNDAI (J. Koreja) i ROBICON (Nemaka) baziraju sena reenju koje se sastoji od niza izolovanih monofaznih invertora

koji generiu sinusno modulisane PWM napone koji se dalje slau utrofazni sistem srednjeg napona za napajanje kaveznog motora.Sad je postao ROBICON SIEMENS.

Koncept topologije invertora za srednji napon, koji se sastoji od

nekoliko izolovanih monofaznih invertora,koji generiu zvezdusrednjenaposkih fazora, je poznat pod nazivom perfect harmonyili invertor sa redno vezanim elijama.

15

Redna multielijska topologija


16/70

16

Redno sloeni vienaponski invertor


17/70

Jedna energetska elija iz niza u redno sloenom vienaponskom invertoru


18/70

Poto se izolovani monofazni invertori napajaju sa vie sekundarajednog srednjenaponskog transformatora, postignuto je vrlo dobro

slaganje ulaznih struja pojedinih jedinica u skoro sinusoidalnitalasni oblik ulazne struje, pa je uticaj na mreu mali. Vanaprednost je i da nisu potrebni specijalno izolovani motori kad sekoristi tehnika viestepene PWM modulacije, poto je naprezanje

izolacije motora manje, nego kod starijih reenja.ZNAI, ne moe direktno da se primeni PWM modulacija sa tri nivoa,

kao kod niskonaponskih reenja, ybog uticaja na izolaciju motora.

Takoe, osim pretvarakih elija potreban je i sloen ulaznitransformator, teak i kota.

18


19/70

Princip slaganja izlaznog napona pomou redne vezeenergetskih elija


20/70

20

Osnovne prednosti ove topologije su:

-Izlazni napon u opsegu 2,3 13,8kV je direktno raspoloiv;- Ulazni filter ili kompenzacija faktora snage se ne zahtevaju;- Velika redundansa obezbeena elijskom strukturom pogona pri emu se

automatski iskljuuje neispravna elija u roku od 250ms. Pri tome pogon moebez prekida da nastavi sa radom sa neto snienim naponom;- Nema uticaja na izolaciju motora poto je integrisan izolacioni transformator;- Mogue je koristiti kako nove tako i postojee asinrone ili sinhrone motore saservisnim faktorom 1,0 bez posebnih zahteva;

- Nema znaajnih pulsacija momenta ak ni pri malim brzinama;- Nema potrebe za skupim fleksibilnim spojnicama;- Nema ogranienja u duini kablova (zbog refleksije talasa, ali ima zbog padanapona);

- Opseg izlazne snage je 0,2 100MVA;- Maksimalna izlazna frekvencija je 330Hz


21/70

21

Nain rada multi power celltopologije se moe objasniti korienjem slike 13na kojoj je prikazan sluaj kada je u invertoru sa 18 modula dolo do kvara natri modula u fazi A.

Sl. 13: Pomeraj neultralne take u sluaju ispada tri elije invertora


22/70

22

Nakon toga je, radi uspostavljanja balansa, iskljueno po tri modula izpreostale dve faze, tako da je raspoloivi napon 50% pri emu pogon bezprekida nastavlja sa radom (slika 14).

Sl. 14: Pogon sa slike 13 nakon uspostavljenog balansa faza


23/70

Parametrisanje pogona je podrano odgovarajuimsoftverom proizvoaa


24/70



25/70



26/70

26

Firma Yaskawa proizvodi multielijske frekventne regulatore i sapretvarakim elijama izraenim u tehnologiji monofaznih matrinih

konvertora, pa postoji mogunost direktne rekuperacije energije nazad unapojnu mreu.

Naziv tih frekventnih regulatora je Matrix Converter, prema matrinimkonvertorima. Samo jedna firma nudi te pretvarae na tritu.


27/70

27

Dynamic operation Low input harmonics and low surge voltage(Sinusoidal waveforms)

Voltage

Medium Voltage Matrix ConverterFSDrive-MX1S

Speed

Acceleration Deceleration

Compatible of dynamic operation with sinusoidal waveforms.Matrix converter is suitable drive for any application / situation!!

Transforme

r

MatrixConverter

Cells

Controller

MVSource

MVIM

ta je Matrix Converter ? - 2


28/70

28

Regeneration

Power Source Motor Load

Motoring

AC Filter

PowerSource

Motor Load

Matrix Converter (Single phase)

Bidirectionalsemiconductorswitching device

InputOutput

S1

S2

S3

S4

S5

S6

Matrix converter omoguava dobijanje proizvoljnog AC napona / frekvencije direktno iz napojne trofazne AC mree. Smatra se da jeNext generation motor drive technology zbog svojih izvrsnih karakteristika.AC-AC direktna konverzija bez jednosmernog meukola (potporni kondenzatori u jednosemrnom kolu pretvataa) omoguuje uteduenergije (mali gubici zbog prekidanja), dug ivotni vek pretvaraa i utedu u prostoru na mestu instalacije. Motorni i regenerativnireim rada izmeu napojne mree i motora se moe jednostavno regulisati ukljuivanjem i iskljuivanjem bidirekcionihpoluprovodnikih prekidaa prema odgovarajuoj kontroli Impulsno irinsko Modulacijom (Pulse Width Modulation - PWM). MetodiPWM modulacije za ovu namenu - Venturini i Laslo Huber.

Detail of bidirectional switchNo smoothing capacitor in main circuit

ta je Matrix Converter ? - 3


29/70

Bidirekcioni poluprovodniki prekida

Realizacija sa dva HV IGBT tranzistora - znai duplo vie

poluprovodnika i veu cena u odnosu na neregenerativnukonfiguraciju.


30/70


31/70

31

6.6kV / 60Hz

IM

1) Uteda prostoraUlazni i izlazni transformatori nisu potrebni.Direktan ulaz i izlaz srednjeg napona je mogu

upotrebom MV matrix converter-a.Instalacioni prstor upola manji.

2) Vea uteda energijePoseduje visoki ulazni factor snage i visokoiskorienje u odnosu na stara tiristorskareenja.

3) Poveana pouzdanost

4) Lako odravanje

5) Smanjen nivo harmonika

MV MXC

*** kVA

*** kW / 6.6KV 4P

Existing equipment:Thyristor inverter

Input transformer

Thyristor

Output transformer

Input

transformerunnecessary

INV (Low voltage)

*** kVA

*** kVA

*** kW /4P 6.6kV

Prednosti korienja Matrix converter-a

Outputtransformerunnecessary


32/70


33/70

Multilevel topologija srednjenaponskog pretvaraa

- zasnovana na invertorskim mostovima sa klampovanom (naponski

ogranienom) srednjom takom i viestepenom PWM modulacijom(sloena struktura prekidaa).

- Poznati proizvoai su Siemens (SIMOVERT, SINAMICS) i ABB(ACS 2000).

- Kao naslednik SIEMENS-ove serije SIMOVERT izraen je frekventnipretvara SINAMICS GM150, projektovan kao univerzalni i jednostavnikonvertor za jednomotorne aplikacije za pogonske maine sapromenljiivim i konstantnim momentum optereenja, ali bez mogunosti

regeneracije u mreu.- Svaki prekida, ovde HV IGBT tranzistor podnosi samo deo napona, ane puni napon jednosmernog meukola.

33


34/70


35/70


36/70

Srednjenaponski multilevelpretvara firme SIEMENS


37/70

Talasni oblici struje i napona kod SIEMENS-ovog pretvaraa


38/70

Tipine karakteristike navedenog pogona za naponski nivo 6kV su: Ulazni napon pretvaraa je 2x1,2kV (ispred transformatora); Tolerancija ulaznog napona je 10%; Frekvencija ulaznog napona je 50Hz 3%; Faktor snage ulaznog napajanja (prvi harmonik) >0,96; Maksimalna izlazna frekvencija je 66Hz; Tanost brzine je 0,4fklizanja (za n > 10%), odnosno fklizanja (za n

< 5%); Tanost momenta u opsegu konstantnog fluksa je 2,5% (za n >

10%);

Vreme uspostavljanja momenta je oko 8ms (za n > 10%); Talasnost izlaznog momenta je 2%.


39/70

Primenom navedenog pretvaraa postojei motori predvieni zapogon sa stalnom brzinom obrtanja se mogu pretvoriti u pogone sa

promenljivom brzinom obrtanja pri emu se: Postojei (standardni) srednjenaponski motor moe napajati izfrekventnog regulatora bez redukovanja nazivne snage poto nemagenerisanja dodatnih gubitaka u motoru,

Nema potrebe za bilo kakvim mehanikim izmenama na pogonjenojmaini,

Koriste se postojei kablovi, nema potrebe za bilo kakvimizmenama,

Nema potrebe stavljati dodatne prigunice na izlaz frekventnog

regulatora kada se koriste dugi kablovi.


40/70

Vano je uzeti u obzir da su SIEMENS-ovi srednjenaponskifrekventni regulatori predvieni za upotrebu samo za pogone sakvadratnom zavisnou pogonskog momenta od brzine. Dozvoljeniopseg brzine je 1:10 pri emu je maksimalna izlazna frekvencija 66Hz. Nazivna frekvencija motora se mora nalaziti u opsegu od 30 Hzdo 60 Hz.

Pogoni sa kvadratnom zavisnou momenta od brzine, kao to supumpe i ventiltori, zahtevaju pun momenat na nazivnoj brzini. Kodtakvih pogona se u principu ne javlja povien polazni momenat iliudar tereta. Zbog toga se takav frekventni regulator ne dimenzionie

za preoptereenje u toku rada. Nazivna struja frekventnogregulatora mora u tim pogonima biti takva da je najmanje jednakastruji motora koja se ima pri punom optereenju u zadatoj radnojtaki.


41/70

Ako pogon treba da radi sa frekvencijama napojnog napona iznadnazivne frekvencije fn, tad motor radi u reimu slabljenja polja. Utom sluaju raspoloivi momenat na vratilu motora opada priblinosa odnosom fn / f, a momenat optereenja ostaje konstantan.

Takoe, potrebno je zadrati marginu od oko 30% u odnosu naprevalni momenat motora, koji takoe opada prema (f n / f )2.

Izbor frekventnog regulatora i motora za pogon stalnog momenta(Te = const.) je najbolje uraditi ako nema drugog zahteva tako da sepolazei od dozvoljenog momenta za pogon tipa S1 predvidipreoptereenje od 50% koje moe da traje do 60 sec. To znai daima dovoljno rezerve za momenat ubrzavanja. Na taj nain, osnovna

struja kojom je optereen frekventni regulator treba da budenajmanje jednaka struji motora pri punom momentu u takozahtevanoj radnoj taki.


42/70

Brzi pogoni napajani iz konvertora, sa dvopolnim motorimazahtevaju preduzimanje specijalnih mera koje zavise od

karakteristika menahikog dizajna (granina i kritina brzina,leajevi, dizajn rotora, privrenje za temelje). Pri upotrebi takvihmotora za pogone promenljive brzine obrtanja mora se dobavitimiljenje proizvoaa motora. Pri rekonstrukciji postojeeg pogonamotor ne sme da poseduje mehanike rezonantne frekvencije u

opsegu frekvencija od interesa. Ako je potrebno, odreeni opsezibrzina mogu biti preskoeni. Kao kod NN regulisanih pogona.


43/70

Povezivanje spoljnih signala u kolo iskljuenja prekidaa


44/70


45/70

Energetska ema invertora sa 6 nivoa


46/70

Princip generisanja PWM modulacionih signala za invertor sa 6 nivoa,sinusni referentni napon


47/70

Princip generisanja PWM modulacionih signala za invertor sa 6 nivoa,optimalna modulacija space vector modulation


48/70


49/70


50/70


51/70

Karakteristini talasni oblici pri paljenju i gaenju


52/70

Kako se GCT tiristor pali i gasi

Da bi se ugasio GCT tiristor, kompletna struja katode se prebacujena gejt (kao kontrastruja) u vremenu kraem od 1 s (to radi drajverkoji je veoma blizu poluprovodnikog diska i predstavlja neodvojivideo prekidaa).

Na takav nain je spreeno formiranje strujnih niti tokom gaenja(sekundarni proboj).

Tokom gaenja postoji samo p-base - n-base - anode emitter pnptranzistor aktivan tokom gaenja.


53/70

Kako se GCT tiristor pali i gasi


54/70


55/70


56/70


57/70

PWM modulisani ulazni ispravlja ulazna strujaskoro sinusoidalna

Na sledeoj slici je prikazan blok dijagram energetskog dela


58/70

58

Na sledeoj slici je prikazan blok dijagram energetskog delafrekventnog regulatora za napon do 6600V, sa integrisanom

ulaznom prigunicom i prekidaem koji je razmatran za upotrebu natranom transporteru (snaga 400 kVA).

Ulazna prigunica obezbeuje dodatno filtriranje i ogranienje struje


59/70

59

a)

b)

pri kratkim spojevima na napojnoj strani frekventnog regulatora. Nasledeoj slici su prikazani talasni oblici struje i napona motora pri

punom optereenju i nominalnoj brzini.


60/70


61/70

Temperatura motora prikljuenog na frekventni regulator je tipino3C vea nego u sluaju kada je direktno spojen na napojnu mreu.

Prirataj napona (du/dt) u talasnom obliku napona je manji od10V/s.

Vrni napon koji e se pojaviti na izolaciji je jednak nominalnoj

efektivnoj vrednosti napona pomnoenoj sa 1,41.


62/70

Pogon sa CSI-PWM invertorom se uspeno primenjuje na pogonimatrakastih transportera.

Kako pogon transportera pokree vie motora (obino etiri, tj. po 2na svakom pogonskom bubnju), potrebno je obezbediti preciznodeljenje optereenja izmeu motora to se postie primenom viefrekventnih regulatora koji rade u reimu sa zadavanjem brzine(glavni pogon) i sa zadavanjem (praenjem) referentnog momenta

(podreeni pogoni). Da bi se upravljalo raspodelom optereenja, jedan pogon seodreuje kao glavni i regulie brzinu i moment sa kojim drugi(podreeni) pogoni treba rade.

Sinhronizacija izmeu pojedinih pogona se vri pomouodgovarajuih komunikacionih protokola (SCANbus, RemoteI/O ili DeviceNet). Na sledeoj slici je prikazan blok dijagramnavedene upravljake eme.


63/70

Blok dijagram upravljanja viemotornim pogonom trakastog transporterasa frekventnim regulatorom PowerFlex 7000A


64/70

Uloga generatora referentne brzine je da minimizira mehanika

optereenja na transporteru naroito na reduktorima, koja senaroito javljaju u sluajevima kada je traka znatno optereenamaterijalom (ugljem, jalovinom), pojedini segmenti trake zaleeni ilipogon priljuen na slabiji sistem napajanja.

Ovo se postie postupnim ubrzavanjem transportera sve do zadate

radne brzine tako to se referenca brzine postepeno poveava po S-krivoj. Ovim se postie da motor pri startovanju ne povlai vie od 150%

nominalne struje optereenja, pri emu je moment motora 150% odnominalnog, ime se spreavaju nagle promene zatezanja trake i

ograniava zatezanje trake izmeu donjeg i gornjeg pogonskogbubnja.


65/70


66/70

Kabineti srednjenaponskog frekventnog regulatora Powerflex 7000


67/70

Blok dijagram sistema upravljanja ureaja Powerflex 7000


68/70


69/70


70/70

09 mv_frekventni pretvaraci (1)

Documents