Przykłady niestandardowych napędów zasilanych z przemiennika częstotliwości średniego napięcia

1. Wstęp
Pierwsze falowniki średniego napięcia zaczęły pojawiać się od połowy lat 80. ubiegłego stulecia. Od tego czasu minęło już wiele dziesięcioleci, a nieustanny rozwój technologii półprzewodnikowej umożliwił powstanie nowych rozwiązań, dostosowanych do coraz wyższych napięć. Kamieniem milowym w rozwoju falowników SN było zastosowanie tranzystorów bipolarnych (IGBT). Obecnie falowniki średniego napięcia są już urządzeniami w pełni dojrzałymi technicznie, dzięki czemu są coraz powszechniej stosowane do rozruchu i regulacji prędkości obrotowej silników indukcyjnych i synchronicznych. W artykule przedstawiono przykłady niestandardowych zastosowań falowników średniego napięcia typu RMVC zrealizowanych przez OPA-ROW Sp. z o.o.

2. Zalety stosowania falowników SN
 Zarówno argumenty techniczne jak i ekonomiczne są na tyle silne, że obecnie trudno już podważyć zasadność stosowania przemienników częstotliwości średniego napięcia dla napędów o mocy powyżej kilkuset kilowatów, zamiast falowników niskiego napięcia.

Dzięki obniżeniu wartości prądów obciążenia zmniejszone mogą być przekroje żył kabli, które na dodatek nie muszą być ekranowane. Nie ma dodatkowych wymagań względem konstrukcji silnika ani limitu odległości falownika od silnika. Ze względu na to, że mały jest udział wyższych harmonicznych wprowadzanych do sieci zasilającej, a współczynnik mocy jest bliski jedności, nie ma potrzeby instalować urządzeń kompensujących i filtrujących. Jednocześnie całkowita cena zespołu urządzeń układu napędowego SN często jest niższa względem nn, a także mniejsze są koszty z tytułu zabudowy urządzeń, wykonania tras kablowych, połączenia urządzeń, a także koszty eksploatacji.

Wszystkie zalety stosowania falowników średniego napięcia coraz częściej są dostrzegane przez użytkowników i coraz częściej falowniki te są aplikowane dla napędów dużej mocy.

Na rynku pojawiło się wiele firm, oferujących różne rozwiązania konstrukcyjne i typy falowników, które skutecznie pracują w układach napędowych pomp, wentylatorów czy przenośników. Jednakże dla realizacji bardziej zaawansowanych, niestandardowych systemów napędowych, takich jak np. napędy maszyn wyciągowych lub zasilanie silników synchronicznych ze wzbudzeniem od magnesów trwałych, właściwe jest zastosowanie falowników produkowanych przez renomowanych producentów, posiadających największe doświadczenie w tych dziedzinach. Jednym z takich producentów jest należąca do grupy WOLONG firma Wolong Rongxin Electric Drive, dlatego przy zrealizowanych przez OPA-ROW, opisanych poniżej rozwiązaniach układów napędowych, zastosowane zostały falowniki RMVC.

3. Cechy napędów regulowanej częstotliwości RMVC
Seria napędów średniego napięcia RMVC wykorzystuje zaawansowane moduły mocy IGBT w połączeniu szeregowym, wykonanym w wielopoziomowej technologii cyfrowego sterowania szerokości impulsu SPWM. Tego typu napędy gwarantują znaczną oszczędność energii, wysoki współczynnik mocy i wysoką niezawodność w przeciwieństwie do tradycyjnych metod energetycznych. Pozwalają one także przedłużyć żywotność zasilanych silników i urządzeń napędzanych.

Napędy RMVC mają zastosowanie nie tylko do wentylatorów oraz pomp, tj. do napędów o małej szybkości zmian obciążenia, nie pracujących w warunkach oddawania energii do sieci zasilającej (hamowanie elektryczne), ale także do odbiorników o częstych i ciężkich rozruchach i zwalnianiu z oddawaniem energii do sieci, takich jak walcarki, maszyny papiernicze, lokomotywy, maszyny wyciągowe itp.
 

Falownik RMVC wykorzystuje szeregowe połączenie tranzystorów mocy IGBT w wielopoziomowej technologii, które cechuje się bezpośrednią generacją średniego napięcia wyjściowego bez użycia transformatora. Charakteryzują się one równocześnie wysoką wydajnością oraz szerokim zakresem częstotliwości wyjściowej. Napędy RMVC składają się z szaf mocy, wejściowej szafy transformatora oraz szafy sterowania mikroprocesorowego.

Napędy RMVC umożliwiają łagodny rozruch silnika, z małym prądem rozruchu, automatycznym sterowaniem rozruchu opartym na charakterystyce ustawień klienta, co pozwala na zaoszczędzenie energii i znaczącą poprawę efektywności produkcji.
Napęd RMVC posiada również funkcję zdalnego sterowania i monitoringu przez sieć oraz łatwą integrację z kompleksowym systemem automatyki. Zastosowanie komunikacji optycznej przez światłowody zwiększa odporność na zakłócenia, co gwarantuje bardziej niezawodne działanie urządzenia.

4. Zastosowanie falownika do zasilania maszyny wyciągowej
W górnictwie polskim pracowały, a nawet nadal pracują maszyny wyciągowe z silnikami asynchronicznymi pierścieniowymi średniego napięcia i przekładnią. Regulacja prędkości obrotowej odbywa się poprzez rezystory w obwodzie wirnika. Jest to system archaiczny, o niskiej sprawności oraz bardzo awaryjny. Dlatego modernizacje tego typu maszyn są niezbędne. Przeprowadzona modernizacja przez OPA-ROW przy wykorzystaniu falownika regeneratywnego RMVC jest rozwiązaniem modelowym dla tego typu napędu.

Z pomiarów wynika, że zużycie energii przy zasilaniu z falownika podczas podnoszenia ciężaru jest o ok. 40% niższe niż w przypadku oporowej regulacji prędkości, natomiast przy opuszczaniu ciężaru ilość energii oddana do sieci przy zasilaniu z falownika jest o ok. 85% większa. Ponadto uzyskano bardzo dobre przebiegi prędkości. Napęd doskonale realizuje zadany diagram jazdy bez przeregulowań i oscylacji (rys 2).

Układ zabezpieczeń falownika realizuje funkcje kontroli parametrów pracy w celu ochrony sprzętu w sytuacjach awaryjnych. Informacja o wystąpieniu błędu wyświetlana jest na panelu operatorskim szafy sterowania. Szczegółowe kody błędów pozwalają na precyzyjne określenie rodzaju awarii, a przypadku uszkodzenia umożliwia również lokalizację. Informacje o uszkodzeniach i kody błędu mogą być przesłane do zewnętrznych urządzeń (systemów wizualizacji, rejestratorów itp.).

Zastosowany sposób zasilania w znaczący sposób poprawia kształt sygnału prądowego po stronie zasilania oraz współczynnik mocy i nie wymaga zabudowy dodatkowych urządzeń kompensacyjnych i filtrów wyższych harmonicznych.

Dzięki zastosowaniu wielopoziomowego falownika RMVC do modernizacji napędu maszyn wyciągowych uzyskano:

• możliwość wykorzystania istniejących silników i kabli zasilających dzięki dobrej jakości napięcia wyjściowego,
• precyzyjną regulację prędkości napędu od 0.1 m/s do 12 m/s, a tym samym bardzo dobrą realizację założonych diagramów jazdy naczyń wyciągowych górniczego wyciągu szybowego,
• precyzyjną regulację momentu napędowego od najmniejszych prędkości, co umożliwia bezpieczne wykorzystanie napędu podczas robót szybowych wymagających wysokiej precyzji sterowania,
• poprawę sprawności zasilania napędu i tym samym ograniczenie zużycia energii elektrycznej,
• poprawę współczynnika mocy napędu (kompensacja mocy biernej silnika),
• większą niezawodność pracy maszyny wyciągowej oraz ograniczenie czasu usuwania awarii (autodiagnostyka i identyfikacja błędów przez przekształtnik).

5. Zastosowanie falownika RMVC do zasilania silnika z magnesami trwałymi
Drugim ciekawym przykładem niestandardowego zastosowania przemiennika częstotliwości było zaprojektowanie i wykonanie instalacji zasilania i sterowania silnika synchronicznego ze wzbudzeniem od magnesów trwałych (PMSM), przy regulacji prędkości w przedziale od 25 Hz do 65 Hz. Wolnoobrotowy silnik 1000 kW PMSM był elementem układu napędowego młyna kulowego. Do zabudowy przemiennika częstotliwości oraz innych urządzeń współpracujących dobrano kontener o wymiarach zewnętrznych (dł.×szer.×wys.) 8000×3200×3400 mm, budowy prefabrykowanej, stalowej. Wyposażony jest w drzwi wejściowe i otwory montażowe oraz instalację wentylacji i klimatyzacji. Kontener został posadowiony w znacznej odległości od silnika.
Projektanci układu napędowego musieli uwzględnić wszystkie aspekty i trudności wynikające z pracy falownika ponad prędkość bazową 50 Hz. W pierwszej strefie regulacji prędkości obrotowej od zera aż do 50 Hz silniki PMSM były sterowane wg takiego algorytmu, by moment był stały. Wzrost prędkości kątowej wirnika powoduje liniowy wzrost siły elektromotorycznej (SEM) indukowanej w uzwojeniu twornika przez stały strumień wzbudzenia od magnesów trwałych oraz liniowy wzrost napięcia na zaciskach silnika PMSM. W drugiej strefie regulacji prędkości, powyżej prędkości bazowej, wzrost napięcia na zaciskach silnika nie jest już możliwy. Dalsze zwiększanie prędkości kątowej wirnika osiągane jest dzięki zastosowaniu techniki osłabiania strumienia magnetycznego głównego w szczelinie powietrznej silnika. Ponieważ część prądu zasilania jest wykorzystywana przy pracy w drugiej strefie regulacji prędkości (>50 Hz) wyłącznie do wytworzenia odpowiedniej ujemnej podłużnej reakcji twornika, osłabiającej strumień główny, ta część prądu nie bierze udziału w wytwarzaniu momentu elektromagnetycznego. W związku z tym, w tej strefie powyżej 50 Hz moment elektromagnetyczny maleje. Przy projektowaniu układu należało sprawdzić, czy przy wymaganej do uzyskania częstotliwości granicznej 65 Hz spadek momentu nie będzie na tyle duży, że dojdzie do utknięcia.

Ponadto, bardzo ważnym zagadnieniem było przeanalizowanie stanu dynamicznego silnika PMSM, który podczas pracy w stanie ustalonym powyżej 50 Hz, pozbawiony zostanie napięcia sieci zasilającej. W takiej sytuacji silnik będący na wybiegu powoduje wzrost strumienia magnetycznego i wzrost siły elektromotorycznej rotacji indukowanej w uzwojeniu stojana i wzrost napięcia na zaciskach wyjściowych falownika. Powstałe przepięcie mogłoby doprowadzić do uszkodzenia falownika, a nawet uszkodzenia izolacji silnika.

Wszystkie opisane powyżej problemy zostały skutecznie rozwiązane i cały układ pracuje bezawaryjnie w całym wymaganym zakresie częstotliwości.

6. Wnioski końcowe
Dzięki swoim niewątpliwym zaletom należy spodziewać się dalszego rozwoju układów napędowych dużej mocy z wykorzystaniem falowników średniego napięcia.

W dziedzinie maszyn wyciągowych, oprócz opisanej modernizacji maszyny z silnikiem indukcyjnym i przekładnią, nie ma przeszkód, aby przemienniki częstotliwości stosować również do zasilania silników wolnoobrotowych 6 kV bez przekładni.

Wysokosprawne silniki synchroniczne średniego napięcia dużej mocy z magnesami trwałymi powinny być zasilane z falowników SN. Dzięki temu uzyskujemy łagodny rozruch częstotliwościowy i możliwość regulacji prędkości obrotowej w pełnym zakresie, nawet ponad prędkość bazową.



OPA-ROW Sp. z o.o.
ul. Rymera 40c
44-270 Rybnik
office@opa-row.pl
www.opa-row.pl