Średnionapięciowy przemiennik częstotliwości o

Perfect Harmony
Średnionapięciowy przemiennik
częstotliwości o innowacyjnej konstrukcji
Grzegorz Drabik
Średnionapięciowe przemienniki częstotliwości
znajdują coraz szersze zastosowanie w przemyśle.
Jest to spowodowane rozwojem techniki, spadkiem
cen przemienników, wzrostem cen energii elektrycznej
oraz ograniczaniem zużycia energii elektrycznej.
O
becnie produkowanych jest wiele rodzajów średnionapięciowych przemienników częstotliwości, z których zdecydowana większość to przemienniki napięciowe.
W niniejszym artykule opisano przemiennik częstotliwości typu Perfect Harmony, będącym jednym z kilku rodzajów
przemienników średniego napięcia produkowanych przez firmę
Siemens.
Dzięki swojej innowacyjnej konstrukcji przemiennik Perfect
Harmony cechuje się właściwościami szczególnie pożądanymi
podczas modernizacji istniejących aplikacji napędowych.
Podstawowe parametry techniczne przemienników rodziny
Perfect Harmony:
zz napięcie zasilania: 2,3 do 13,8 kV;
zz napięcie wyjściowe: 2,3 do 7,2 KV;
zz zakres mocy wyjściowych: 0,15 do 14,9 MW;
Specjalny
transformator
izolujący
Celka
mocy
A1
Celka
mocy
B1
Celka
mocy
C1
Napięcie
zasilania
3 AC
Celka
mocy
A2
Celka
mocy
B2
Celka
mocy
C2
Celka
mocy
A3
Celka
mocy
B3
Celka
mocy
C3
Silnik
Rys. 1
8 l Nr 9 l Wrzesień 2013 r.
zz
zz
chłodzenie: wodne lub powietrzne;
rodzaj budowy: przemiennik napięciowy.
Produkcja przemienników Perfect Harmony rozpoczęła
się w połowie lat 90. ubiegłego wieku. Produkowane obecnie
przemienniki to trzecia i czwarta generacja. Wraz z rozwojem techniki zmianie ulegały układy sterowania oraz panele
operatorskie. Topologia przemiennika nie uległa jednak zmianie. Perfect Harmony to przemiennik skonstruowany z myślą
o modernizacji układów napędowych, gdzie szczególną uwagę
poświęcono: oddziaływaniu na sieć zasilającą, oddziaływaniu
na silnik, prostocie zastosowania, niezawodności oraz wysokiej
sprawności systemu. Znakomite parametry oraz wysoka niezawodność spowodowały, że przemiennik ten znajduje zastosowanie również w nowych aplikacjach napędowych.
Na rys. 1 przedstawiona została topologia przemiennika
Perfect Harmony. Napięcie na zaciskach silnika budowane jest
poprzez celki mocy szeregowo połączone w każdej fazie. Sposób budowania napięcia wyjściowego przedstawiono na rys. 2.
Każda celka mocy to niskonapięciowy jednofazowy przemiennik częstotliwości, z napięciowym obwodem pośredniczącym
(rys. 3). Całość zasilana jest ze zintegrowanego transformatora
wielouzwojeniowego.
W przemienniku Perfect Harmony transformator zintegrowany jest z przemiennikiem częstotliwości (zabudowany jest
we wspólnej szafie z elementami przemiennika). Transformator pełni kilka funkcji. Dzięki wielouzwojeniowej konstrukcji
otrzymujemy układ o wielopulsowym oddziaływaniu na sieć
zasilającą. W zależności od ilości celek można budować układy
Oszczędzamy Waszą energię
Efektywnie, opłacalnie, niezawodnie
Napęd 15-celkowy
100% celek pracujących.
Pełne napięcie na silniku
Rys. 2
Napięcie
z transformatora
izolującego
Wyjście
celki
mocy
Zasilanie
sterowania
lokalnego
Obwody sterowania lokalnego
Rys. 3
Sygnały
światłowodowe
do systemu
nadrzędnego
od 18 do 48 pulsów. Dla przemiennika o napięciu wyjściowym
6 kV otrzymujemy układ 30-pulsowy. Taka konstrukcja pozwala na spełnianie najostrzejszych norm w zakresie zniekształceń
sieci zasilającej.
W układach napędowych o dużej mocy moc zwarciowa sieci zasilającej z reguły jest duża. Zastosowanie transformatora
izolującego pozwala na ograniczenie mocy zwarciowej, co poprawia bezpieczeństwo i niezawodność pracy systemu.
Transformator izolujący pozwala na ciągłą pracę systemu napędowego z doziemieniem na jednej fazie (np. w przypadku
uszkodzenia kabla silnikowego). Możliwość pracy z doziemieniem może być szczególnie interesująca dla procesów, w których przerwanie spowodowałoby duże straty. Układ napędowy
pozwoli na dokończenie procesu, a usuwanie przyczyny doziemienia można rozpocząć po technologicznym zatrzymaniu.
Zastosowanie transformatora izolującego eliminuje występowanie zjawiska tzw. common mode voltage na zaciskach silnika.
Zjawisko to polega na występowaniu dużego napięcia pomiędzy
ziemią a punktem gwiazdowym silnika. Może ono być szczególnie niebezpieczne dla silników starszej konstrukcji.
Zastosowanie transformatora izolującego eliminuje konieczność stosowania dodatkowych filtrów i dławików sieciowych,
które często stosowane są w niektórych odmianach przemienników częstotliwości z aktywnym stopniem wejściowym (AFE).
10 l Nr 9 l Wrzesień 2013 r.
Przemienniki częstotliwości Perfect Harmony spełniają wymagania normy IEEE 519-1992. Norma ta jako jedyna określa
wymagania w zakresie zniekształceń prądu. Współczynnik zawartości wyższych harmonicznych prądu (THDI) dla przemiennika Perfect Harmony jest mniejszy od 5%. Jest to średnionapięciowy przemiennik częstotliwości o jednym z najniższych
poziomów zniekształceń prądowych na rynku.
Innym istotnym parametrem z punktu widzenia sieci zasilającej jest współczynnik mocy przemiennika. Dla przemienników
Perfect Harmony współczynnik mocy jest większy od 0,95 dla
całego zakresu prędkości i obciążeń.
Wysoki współczynnik mocy dla całego zakresu obciążeń jest
o tyle istotny, że w aplikacjach z przemiennikami częstotliwości praca z pełną prędkością i pełnym obciążeniem jest tylko
jednym z punktów pracy systemu, w którym układ pracuje stosunkowo rzadko.
Innowacyjna konstrukcja przemiennika oraz sposób sterowania celkami sprawia, że napięcie wyjściowe przemiennika ma
kształt sinusoidalny, a poziom jego zniekształceń jest porównywalny ze zniekształceniami panującymi w sieci zasilającej.
Zastosowanie przemiennika nie pogarsza pracy silnika (w porównaniu do silnika zasilanego bezpośrednio z sieci zasilającej).
Z tego powodu przemiennik ten może z powodzeniem zasilać
silniki standardowe, skonstruowane do zasilania bezpośrednio z sieci zasilającej. Ze względu na sinusoidalne napięcie
wyjściowe nie ma konieczności stosowania kabli silnikowych
o specjalnej konstrukcji. W aplikacjach polegających na modernizacji układu napędowego można zastosować istniejące
kable silnikowe.
Powyżej opisane cechy przemiennika Perfect Harmony sprawiają, że jego zastosowanie w modernizowanych układach z istniejącymi silnikami jest niezwykle proste.
Sprawność przemiennika wraz z transformatorem w całym
zakresie obciążenia jest lepsza niż 96,5%. Podobnie jak dla
współczynnika mocy, niezwykle istotną właściwością przemiennika jest wysoka sprawność w całym zakresie obciążeń.
Dzięki swojej konstrukcji przemienniki Perfect Harmony
cechują się wysoką niezawodnością. Transformator izolujący
separuje przemiennik częstotliwości od sieci zasilającej, zabezpieczając przemiennik przed negatywnym wpływem sieci
o dużej mocy zwarciowej.
Szczególnie interesującą funkcją przemiennika wykorzystującą jego budowę i poprawiającą niezawodność systemu jest
tzw. bypass celek. Funkcja ta, dostępna jako opcja, polega na
automatycznym wyłączaniu, bez zatrzymywania napędu uszkodzonych celek. Jak widać na schemacie przemiennika, celki
w każdej fazie połączone są szeregowo. Funkcja bypassu polega
na wyposażeniu każdej celki w specjalny stycznik wyjściowy.
W przypadku wykrycia awarii celki układ sterowania przemiennikiem załącza stycznik wyjściowy, zwierając wyjście celki. Celka mocy zostaje wyłączona (nie bierze udziału w pracy
przemiennika).
Dzięki zwarciu wyjścia celki wartość prądu płynącego przez
silnik nie zmienia się. Układ sterowania przemiennikiem modyfikuje sterowanie pozostałymi celkami w taki sposób, aby
na wyjściu przemiennika napięcia międzyfazowe były symetryczne. Po zadziałaniu bypassu celki napięcie na zaciskach
silnika zostaje obniżone o wartość proporcjonalną do ilości
wyłączonych celek.
Przy działających wszystkich celkach napięcie na zaciskach
silnika może mieć większą wartość niż napięcie zasilające
Buforowanie
kinetyczne
Rys. 4
(np. dla przemiennika o napięciu 6 kV może ono osiągać
6,6 kV). Wykorzystując możliwość podbijania napięcia wyjściowego w przemienniku, po zadziałaniu bypassu pojedynczej
celki napięcie na zaciskach silnika może pozostać bez zmian,
co oznacza, że silnik pomimo wyłączenia pojedynczej celki
może być nadal obciążony mocą znamionową. Możliwa jest
ciągła praca przemiennika z wyłączonymi celkami. Wymiana
lub naprawa celki może być wykonana w późniejszym, zaplanowanym terminie.
Wymiana celek mocy jest niezwykle prosta dzięki modułowej
konstrukcji przemiennika.
Inną cechą przemienników Perfect Harmony, mającą duży
wpływ na niezawodność pracy systemu, jest ich odporność na
zanik lub obniżenie napięcia zasilania. Na rys. 4 schematycznie
przedstawiono zachowanie się przemiennika przy obniżonym
napięciu zasilania. Od 90 do 110% napięcia znamionowego
przemiennik utrzymuje moc znamionową. W zakresie od 66 do
90% napięcia znamionowego przemiennik może ciągle praco-
wać, przy czym moc na wale silnika redukowana jest proporcjonalnie do spadku napięcia zasilania. Po obniżeniu się napięcia
poniżej 66% napięcia znamionowego przemiennik wyłącza się.
Przy krótkotrwałym zaniku napięcia (o czasie trwania do
100 ms) przemiennik nie wyłączy się. Po powrocie napięcia
zasilania przemiennik wróci do zadanego punktu pracy.
Opisane powyżej zachowanie przemiennika przy zaniku lub
obniżeniu się napięcia zasilającego ma istotny wpływ na niezawodność pracy całego systemu.
Przemienniki Perfect Harmony od lat pracują w wielu aplikacjach napędowych w Polsce, jak i na całym świecie. Swoją
wieloletnią pracą potwierdziły wysoką niezawodność oraz doskonałe parametry techniczne.
Oprócz średnionapięciowych przemienników częstotliwości istnieją przemienniki niskiego napięcia, których parametry
i funkcjonalność, przy odpowiednim doborze tych przemienników, są porównywalne z parametrami i funkcjonalnością przemienników średniego napięcia. Przemienniki te ze względu na
niższe ceny mogą stanowić interesującą alternatywę szczególnie dla aplikacji o mniejszych mocach, gdzie w grę wchodzi
dostawa nowego silnika.
O wyborze przemiennika częstotliwości do aplikacji napędowej powinny decydować jego parametry techniczne i funkcjonalne. Wybór przemiennika częstotliwości na podstawie jedynie rodzaju jego konstrukcji (np. tylko przemienniki średniego
napięcia lub tylko przemienniki prądowe itp.) może prowadzić
do nieoptymalnego doboru, gdzie użytkownik może być pozbawiony funkcji najbardziej istotnych w danej aplikacji.
n
Siemens Sp. z o.o.
Sektor Industry DT LD
www.siemens.pl/napedy
Grzegorz Drabik
tel. 32-208 41 73
e-mail: [email protected]
Nr 9 l Wrzesień 2013 r. l 11