Kondycjoner energii elektrycznej

Elektronika
przemysłowa
Kondycjonery energii elektrycznej
Katedra Energoelektroniki, Napędu Elektrycznego i Robotyki
Wydział Elektryczny, ul. Krzywoustego 2
PLAN WYKŁADU
§ Definicja kondycjonera energii elektrycznej
§ Zastosowanie kondycjonerów energii
elektrycznej
§ Rodzaje kondycjonerów
§ Aktywne filtry mocy
§ Układy bezprzerwowego zasilania
§ Układy kondycjonowania energii elektrycznej
§ Falowniki wielopoziomowe
§ Zasobniki energii dla układów kondycjonowania
energii elektrycznej
W2: Elektronika przemysłowa
2
Kondycjoner energii elektrycznej definicja
Kondycjoner energii elektrycznej to urządzenie
służące do minimalizowania wybranych lub wszystkich
zaburzeń występujących w sieci elektrycznej (przepięć,
zapadów napięcia, przerw w zasilaniu, zniekształceń
prądów i napięć – wyższe harmoniczne)
Kondycjonery pozwalają na kompensacje mocy biernej
(kompensatory mocy biernej).
Do kondycjonerów zalicza się: filtry pasywne, aktywne
filtry mocy, układy bezprzerwowego zasilania (UPS),
układy kondycjonowania energii, warystory itd.
W2: Elektronika przemysłowa
3
Kondycjonery energii elektrycznej zastosowanie
§ Zapewnienie ciągłości zasilania dla wrażliwych
odbiorników (linie produkcyjne, szpitale)
§ Stabilizacja pracy sieci energetycznej w przypadku
zastosowania kondycjonerów przy odbiornikach
niespokojnych (piece łukowe, często uruchamiane silniki
asynchroniczne, działa torpedowe, katapulty)
§ Eliminacja wyższych harmonicznych będących wynikiem
coraz częściej używanych odbiorników nieliniowych
(prostowniki, lampy wyładowcze).
§ Kompensacja mocy biernej
W2: Elektronika przemysłowa
4
Kondycjonery energii elektrycznej rodzaje
§ Filtry pasywne
§ Aktywne filtry mocy (równoległe, szeregowe, szeregoworównoległe)
§ Układy bezprzerwowego zasilania
§ Układy kondycjonowania energii elektrycznej (równoległe
szeregowe, prądowe, napięciowe, z zasobnikami w
postaci superkondensatorów, cewki nadprzewodzącej HTS, LTS, baterii akumulatorów, koła zamachowego,
ogniwa paliwowego itd.)
W2: Elektronika przemysłowa
5
Filtry pasywne
– przykład filtru jednofazowego
Filtr 5-, 7-, 11-, 13- i 17-tej harmonicznej prądu
Impedancja poszczególnych gałęzi i impedancja zastępcza

1
Z fh ( ω) = R fh + j  ωL fh −

ωC fh




Z ( ω) =
1
17
∑
h =1,5,7,...
W2: Elektronika przemysłowa
1
Z fh ( ω)
+ Z S ( ω)
6
Filtry pasywne
– przykład filtru jednofazowego
Charakterystyka impedancji widziana od strony zasilania
Impedancja dla wybranych harmonicznych jest bardzo
mała. Istnieją lepsze warunki dla przepływu prądu
wyższych harmonicznych przez taki filtr, a nie przez sieć
zasilającą. Redukuje to wpływ wyższych harmonicznych na
napięcie sieci.
7
W2: Elektronika przemysłowa
Aktywne filtry mocy
– modele jednofazowe
Równoległy aktywny filtr mocy
iL = io − iF
iF = G( jω )io
pL = iLu L = po
Szeregowy aktywny filtr mocy
pF = iFu L = 0
u L = uo + u F
u F = G ( jω )iL
pL = iLu L = po
W2: Elektronika przemysłowa
pF = iFu L = 0
8
Równoległy aktywny filtr mocy
– przykład działania
100
eL
id
0
Schemat
-100
0
0.01
0.02
0.03
20
0.04
0.05
0.06
0.07
0.08
0.09
0.1
0.05
0.06
0.07
0.08
0.09
0.1
0.05
0.06
0.07
0.08
0.09
0.1
io1cz
io
0
-20
0
0.01
0.02
20
0.03
iF
0.04
iL
0
-20
W2: Elektronika przemysłowa
0
0.01
0.02
0.03
0.04
9
Równoległy aktywny filtr mocy
– układ energoelektroniczny
iF = io − iL1cz
VF = uL + udł =
di
= uL + L =
dt
i*F − i F
= uL + L
∆T
W2: Elektronika przemysłowa
10
Równoległy aktywny filtr mocy
– układ energoelektroniczny
100
id
eL
0
-100
0
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
0.06
0.07
0.08
0.09
0.1
0.06
0.07
0.08
0.09
0.1
0.06
0.07
0.08
0.09
0.1
20
io
io1cz
0
-20
0
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
20
iL
if
0
-20
W2: Elektronika przemysłowa
0
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
11
Szeregowy aktywny filtr mocy
– układ energoelektroniczny
eL1
Z L1
iL1
eL2
Z L2
iL2
eL3
Z L3
iL3
uF1
u o1
uF2
ik1
io
u o2
uF3
ik2
u o3
ik3
Lk
T1
Lk
T2
Lk
T3
u L = uo + u F
C
T4
T5
T6
u F = G ( jω )iL
pL = iLuL = po
pF = iFu L = 0
W2: Elektronika przemysłowa
12
Układy bezprzerwowego zasilania
- UPS
Układ szeregowy
Układ równoległy
W2: Elektronika przemysłowa
13
Układy kondycjonowania
energii elektrycznej
§ Równoległe,
§ Szeregowe,
§ Prądowe – przekształtniki tworzące układ są
przekształtnikami prądowymi,
§ Napięciowe w tym również wielopoziomowe,
§ Zasobniki: superkondensatry, cewki nadprzewodzące
HTS, LTS, baterie akumulatorów, koła zamachowego,
ogniwa paliwowego
W2: Elektronika przemysłowa
14
Układy kondycjonowania
energii elektrycznej
Równoległy układ kondycjonowania energii z
przekształtnikiem napięciowym i z zasobnikiem w postaci
cewki nadprzewodzącej
W2: Elektronika przemysłowa
15
Przekształtnik DC/DC w układzie
kondycjonowania z zasobnikiem SMES
Rozładowanie
3
4
-VDC
0
SDC1SDC4 = 0 0 SDC1SDC4 = 1 0
W2: Elektronika przemysłowa
16
Układy kondycjonowania
energii elektrycznej zbudowany w KENER
W2: Elektronika przemysłowa
PARAMETR
WART. NOMINALNA
MOC POZORNA SN
30 kVA
NAPIĘCIE SIECI VN
400 V
ENERGIA ZGROMADZONA EC
25 kJ
INDUKCYJNOŚĆ CEWKI LSMES
12.5 H
PRĄD KRYTYCZNY CEWKI IC
70 A
NAPIĘCIE KONDENSATORA VDC
750 V
POJEMNOŚĆ KONDENSATORA CDC
4.8 mF
CZĘSTOT. ŁĄCZEŃ AC/DC fSI
3/6 kHz
CZĘSTOT. ŁĄCZEŃ DC/DC fSC
50 Hz
17
Układy kondycjonowania
energii elektrycznej zbudowany w KENER
Cewka nadprzewodząca
W2: Elektronika przemysłowa
18
Tryby pracy kondycjonera
TRYB KOMPENSACJI - TK
Kondycjoner działa jak aktywny filtr mocy (APF). Zadania:
1. Kompensacja mocy biernej (AC/DC)
2. Ograniczenie wyższych harmonicznych w prądach (AC/DC)
3. Kompensacja asymetrii obciążenia w prądach (AC/DC)
4. Kontrola prądu cewki nadprzewodzącej (DC/DC)
W2: Elektronika przemysłowa
19
Tryby pracy kondycjonera
TRYB ELIMINACJI PRZECIĄŻEŃ - TEP
Zadania dla kondycjonera:
1. Kompensacja mocy biernej (AC/DC)
2. Ograniczenie prądu pobieranego z sieci (AC/DC)
3. Kontrola napięcia kondensatora kosztem energii
zgromadzonej w cewce nadprzewodzącej (DC/DC)
W2: Elektronika przemysłowa
20
Tryby pracy kondycjonera
TRYB ELIMINACJI ZAPADÓW - TEZ
Kondycjoner działa jak UPS. Zadania:
1. Kontrola napięcia na zaciskach odbiornika (AC/DC)
2. Kontrola napięcia kondensatora kosztem energii
zgromadzonej w cewce nadprzewodzącej (DC/DC)
W2: Elektronika przemysłowa
21
Badania symulacyjne
Prąd obciążenia
czas [s]
Napięcie sieci
Prąd sieci
czas [s]
Tryb kompensacji - obciążenie nieliniowe
W2: Elektronika przemysłowa
22
Badania symulacyjne
Prąd obciążenia
czas [s]
Prąd sieci
czas [s]
Tryb eliminacji przeciążeń
W2: Elektronika przemysłowa
23
Badania symulacyjne
Napięcie sieci
czas [s]
Napięcie obciążenia
czas [s]
Tryb eliminacji zapadów
W2: Elektronika przemysłowa
24
Badania eksperymentalne
Napięcie sieci
Prąd
obciążenia
Napięcie sieci
Prąd sieci
Tryb kompensacji - obciążenie liniowe
W2: Elektronika przemysłowa
25
Badania eksperymentalne
Napięcie sieci
Prąd
obciążenia
Napięcie sieci
Prąd sieci
Tryb kompensacji - obciążenie nieliniowe
W2: Elektronika przemysłowa
26
Badania eksperymentalne
Napięcie sieci
Prąd sieci
Napięcie obciążenia
Prąd obciążenia
Tryb eliminacji zapadów
W2: Elektronika przemysłowa
27
Rzeczywiste przebiegi prądu sieciowego
dla układu kondycjonowania en. el. z SMES
Prąd sieciowy przed
kompensacją
W2: Elektronika przemysłowa
Prąd sieciowy po kompensacji
28
Układy kondycjonowania
energii elektrycznej
Równoległy układ kondycjonowania energii z
przekształtnikiem prądowym i z zasobnikiem w postaci
cewki nadprzewodzącej
W2: Elektronika przemysłowa
29
Układy kondycjonowania
energii elektrycznej
Równoległy układ kondycjonowania energii z
przekształtnikiem napięciowym i z zasobnikiem w postaci
superkondensatorów
W2: Elektronika przemysłowa
30
Przekształtnik DC/DC w układzie
kondycjonowania z zasobnikiem typu
superkondensatory
2600 F; 2.5 V;
60mm x 172mm
cylinder; 525 g
W2: Elektronika przemysłowa
31
Zasobniki energii
1.
Cewka nadprzewodząca: duża gęstość mocy, szybka
reakcja, wysoka cena.
2.
Superkondensatory: duża gęstość energii i mocy,
nieograniczona liczba cykli pracy
3.
Koło zamachowe: duża gęstość energii, potrzeba
stosowania przetwornika mech.-elektr., elementy
mechaniczne się starzeją.
4.
Akumulatory: duża gęstość energii, potrzeba obsługi,
ograniczona liczba cykli ładowanie/rozładowanie.
W2: Elektronika przemysłowa
32
Układy kondycjonowania
energii elektrycznej z przekształtnikami
wielopoziomowymi
Układy kondycjonowania energii z przekształtnikami
wielopoziomowymi mogą pracować przy wyższych napięciach.
W2: Elektronika przemysłowa
33
Falowniki wielopoziomowe w układach
kondycjonowania energii elektrycznej
Falownik z diodami
poziomującymi
W2: Elektronika przemysłowa
Falownik z
kondensatorami
poziomującymi
Falownik
kaskadowy
34
Koniec wykładu
nr 2
W2: Elektronika przemysłowa
35