wpływ rodzaju silników na parametry elektroenergetyczne

Zeszyty Problemowe – Maszyny Elektryczne Nr 71/2005
65
Kazimierz Jagieła, Janusz Rak, Marian K pi ski, Marek Gała
Politechnika Cz stochowska, Cz stochowa
WPŁYW RODZAJU SILNIKÓW NA PARAMETRY
ELEKTROENERGETYCZNE NAP DU WALCARKI
PR TÓW MIEDZIANYCH
INFLUENCE OF MOTORS TYPE ON ELECTRICAL POWER PARAMETERS
OF ROLLING STAND BAR COPPER
Abstract: The paper deals with comparative analysis of parameters describing the electric power drawn from
a medium voltage industrial network by 2MW of nominal power electric drives of copper bars rolling mill.
The comparison was possible in consequence of modernization of the rolling mill’s main drive, which included replacement of the thyristor DC drive by an asynchronous drive fed from a DTC converter. The computational analysis of active, reactive, apparent and deformation power was conducted on the basis of recorded
voltages and currents for both versions of the drives. Characteristic indices of the power quality were determined as spectra of the voltage and current harmonics as well as total harmonic distortion (THD) coefficients
of the voltage and current. MATLAB and DASYLab software was used for measurements and computations.
The results obtained from the analysis show that the controlled AC drive has smaller negative impact on the
supply network in comparison with the equivalent thyristor DC drive. Consumption of the reactive power and
deformation power was reduced respectively by order of magnitude and about 50%. It is a consequence of increased power factor and significant reduction of rms values of the first and higher harmonics of the current
drawn from the network by the drive with a frequency converter comparing to the drive with a thyristor rectifier.
1. Wst p
Rozszerzenie zakresu regulacji pr dko ci liniowej w procesie walcowania pr tów miedzianych było powodem przeprowadzenia modernizacji polegaj cej na zamianie rodzaju nap du
głównego walcarki z tyrystorowego układu
pr du stałego na nap d pr du przemiennego
z silnikiem
asynchronicznym
zasilanym
z przemiennika cz stotliwo ci typu DTC o bezpo redniej regulacji momentu.
Zainstalowanie energoelektronicznego nap du
pr du przemiennego oprócz zwi kszenia niezawodno ci dało równie swoje pozytywne
efekty w aspekcie poprawy parametrów okrelaj cych jako pobieranej energii elektrycznej
z przemysłowej rozdzielni redniego napi cia.
Wi e si to zarówno ze zmniejszeniem poboru
mocy biernej jak równie z ograniczeniem poboru wy szych harmonicznych pr du. W analizowanych dwóch rodzajach nap dów klatki
walcowniczej zastosowano na poziomie redniego napi cia jednogał ziowy filtr pasywny,
który spełniał podwójn rol : kompensatora
mocy biernej oraz kompensatora okre lonych
wy szych harmonicznych pr du i napi cia.
2. Charakterystyka techniczna zespołów
nap dowych walcarki pr tów miedzianych
Układy rozdzielcze zasilania silników nap du
walcarki przedstawiono na rys.1a i 1b.
W pierwszym przypadku maszyna pr du stałego o mocy 1,8 MW i nominalnym napi ciu
twornika 1100V jest zasilana przez nawrotny
tyrystorowy przekształtnik DC (PT) z transformatora T2 podł czonego do sieci przemysłowej
o napi ciu 6kV.
W drugim przypadku maszyna pr du przemiennego o mocy 2 MW jest zasilana przez przemiennik cz stotliwo ci (PCZ) z transformatora
T3 o takiej samej mocy jak T2, lecz o innym
napi ciu strony wtórnej. W obu przypadkach
zastosowano jedn gał pasywnego filtru L-C,
pozostawiaj c identyczn warto indukcyjnoci dławika. Dla nap du asynchronicznego w
gał zi filtra L-C obni ono trzykrotnie warto
baterii kondensatorów.
Z danych, które zestawiono w tabeli 1 mo na
stwierdzi , i istnieje du a zbie no w zakresie
nominalnych parametrów elektromechanicznych dla analizowanych nap dów walcarki.
Zeszyty Problemowe – Maszyny Elektryczne Nr 71/2005
66
a)
Zasadnicze parametry impedancyjne dla obwodów zasilania maszyn układów nap dowych
walcarki przeliczone na poziom napi cia 6 kV
przedstawiono w tabeli 2.
Tabela 2.
Warto ci reaktancji elementów składowych
systemu zasilania nap du walcarki
6kV
System elektro- Transformatory
energetyczny
Kabel 6 kV
T1
T2, T3
Szw = 135 MVA
XS [m ]
XT1 [ ] XT [ ] Rk=31 m
28,9
0,248
1,04
Xk=20 m
Istotne ró nice w doborze elementów rozdzielni
zasilaj cej dla obu rodzajów nap dów walcarki
wyst puj w obwodach filtrów pasywnych L-C.
Ich parametry zestawiono w tabeli 3.
Tabela 3.
Parametry filtrów wh dla nap du walcarki
b)
QC
[kVar]
C
[ F]
L1
[mH]
r
[s-1]
Rz d
r [-]
Nap d tyrystorowy pr du stałego
1240
110
4,76
1384
4,41
Nap d asynchroniczny z przemiennikiem DTC
413
6kV
36,6
4,76
2397
7,63
W tabeli 3 uj to parametry dla warunków rezonansu własnego gał zi L-C. Uwzgl dniaj c
konfiguracj zasilania, charakterystyka cz stotliwo ciowa tego układu zawiera inne cz stotliwo ci rezonansowe zwi zane z impedancjami
systemu oraz innych odbiorników przył czonych do sieci 6/0,4 kV/kV [1].
3. Wybrane parametry okre laj ce jako energii elektrycznej
Rys.1. Konfiguracje zasilania nap du głównego
walcarki z sieci 6 kV:
a) dla silnika DC z prostownikiem sterowanym;
b) dla silnika AC z przemiennikiem DTC.
Tabela 1.
Warto ci nominalne silników nap du walcarki
przed i po modernizacji
P
[kW]
n
[obr/min]
U
[V]
I
[A]
M
[Nm]
Nap d tyrystorowy pr du stałego
1800
900
1100
1630
19110
Podstawowe parametry okre laj ce jako
energii pobieranej z sieci SN zostały zaw one
do współczynników zawarto ci harmonicznych
napi cia i pr du THDU i THDI, warto ci napi
i pr dów wraz z ich rozkładami dla harmonicznych a do rz du 40 [7] oraz składowych mocy:
czynnej, biernej, deformacji i pozornej.
Za wska niki charakteryzuj ce jako parametrów zasilania przyj to współczynniki zawartoci harmonicznych napi cia i pr du THDU
i THDI , które okre lane s wzorami (1) i (2)
[4, 5, 6, 8]:
n=k
Nap d asynchroniczny z przemiennikiem DTC
2000
894
690
1981
21370
THDU =
U
n=2
U1
2
n
(1)
Zeszyty Problemowe – Maszyny Elektryczne Nr 71/2005
n=k
THDI =
I
n =2
2
n
(2)
I1
gdzie:
U1, I1 - warto ci skuteczne pierwszej
harmonicznej przebiegu napi cia i pr du,
Un, In - warto ci skuteczne n-tej harmonicznej napi cia wzgl dnie pr du.
Moc czynn wyliczono jako [2,3,4]:
P=
∞
1T
U (t ) ⋅ I(t )dt = U n ⋅ I n ⋅ cos ϕ n
T0
n =1
(3)
Moc pozorn dla przebiegów niesinusoidalnych
okre lono według nast puj cej formuły [2,3,4]:
S= U⋅I =
∞
U 2n ⋅
n =1
∞
I 2n
(4)
n =1
Zgodnie z teori mocy C. J. Budeanu [6] moc
biern Q obliczono na podstawie zale no ci:
Q=
∞
U n ⋅ I n ⋅ sin ϕ n
(5)
n =1
Dla przebiegów niesinusoidalnych spełniona
jest relacja mi dzy poszczególnymi mocami w
formie:
D 2 = S2 − P 2
(6)
D2 = Q2 + V2
gdzie: D - moc dystorsji,
V - moc deformacji okre lona w monografii [6] obliczona wg nast puj cej zale no ci:
∞
2
V =
∞
n =1 k =1
[U
2 2
n Ik
](7)
+ U k2 I n2 − 2U n I nU k I k cos(ϕ n − ϕ k )
k≠n
Do pomiarów napi i pr dów wykorzystany
został komputer PC wyposa ony w kart pomiarow PCL-818HD oraz oprogramowanie
aplikacyjne DASYLab umo liwiaj ce rejestracj i przetwarzanie sygnałów. Jedn z głównych
zalet komputerowej rejestracji sygnałów jest
67
mo liwo dalszej cyfrowej analizy przebiegów
poprzez zastosowanie metod statystycznych
wraz z szybk transformat Fouriera FFT [4, 5].
Z uwagi na niezb dn separacj galwaniczn
komputerowego systemu pomiarowego od sieci
elektroenergetycznej w obwodach wej ciowych
zastosowano przetworniki pr dowe i napi ciowe firmy LEM typu LA i LV.
4. Wyniki bada
walcarki
układów nap dowych
Wykonane badania przebiegów napi cia i pr du
pobieranego z sieci redniego napi cia były
podstaw do okre lenia stopnia oddziaływania
nap dów maszyn walcarki du ej mocy na sie
przemysłow .
W celu porównania stopnia deformacji przebiegów napi cia na szynach rozdzielni 6 kV wykonano pomiary kształtu napi cia i pr dów
w warunkach prawie identycznego obci enia
moc czynn , przy zał czonych filtrach wy szych harmonicznych. Odpowiednie przebiegi
napi ciowo-pr dowe przedstawiono na rysunkach 2 i 3. W obu przypadkach wida wyra ne
odkształcenia pr dów pobieranych przez układy
nap dowe walcarek. Odno nie kształtu napi cia
zasilaj cego, mo na stwierdzi mniejszy stopie odkształcenia dla układu nap dowego AC,
co równie znajduje swoje odzwierciedlenie
w obliczonym wska niku THDU (tabela 5).
Na rysunkach 4 i 5 przedstawiono widma napi i pr dów w rozkładzie harmonicznym do
rz du 40. Na podstawie analizy widmowej
okre lono wska niki THD, których warto ci zestawiono w tabeli 5. Dysponuj c zarejestrowanymi przebiegami napi i pr dów, stosuj c
wzory okre lone według zale no ci (3) do (7)
obliczono warto ci składowych mocy pobieranych przez oba nap dy, a ich warto ci zamieszczono w tabeli 4. Dane z tej tabeli wiadcz
o tym, i pomiary wykonane były dla prawie
identycznych warunków pracy obu analizowanych rodzajów nap dów walcarki.
Tabela 4.
Parametry elektryczne nap dów walcarki
Rodzaj nap du
walcarki
Tyrystorowy
pr du stałego
Asynchroniczny
z przemiennikiem
cz stotliwo ci DTC
I3
[A]
P
[kW]
Q
[kVar]
D
[kVar]
S
[kVA]
D/P
[%]
=P/S
[-]
cos
[-]
178
830
1540
689
1880
83
0,441
0,474
88,1
852
175
351
939
41,3
0,908
0,98
Zeszyty Problemowe – Maszyny Elektryczne Nr 71/2005
68
U2 [kV]
6,0
4,5
3,0
1,5
0,0
-1,5
-3,0
-4,5
-6,0
I3 [A]
400
300
200
100
0
-100
-200
-300
-400
205
210
215
220
225
230
235
240
245
250
255
260
265
270
275
280
285
290
295
[ms]
Rys.2. Przebiegi napi cia zasilania i pr du pobieranego przez układ nap dowy DC.
5,0
2,5
U2
[kV] 0
-2,5
-5,0
200
100
I3
[A] 0
-100
-200
100
50
I2
[A] 0
-50
-100
3.005
3.015
3.025
3.035
3.045
3.055
3.065
3.085 [s]
3.075
Rys.3. Przebiegi napi cia zasilania i pr dów pobieranych przez układ nap dowy AC oraz filtr L-C.
Widmo napi cia od 2 do 40 harmonicznej
2.5
Widmo pr du od 2 do 40 harmonicznej
35
30
2
25
1.5
]
%
[
1
U/
r
U
]
%
[
1I
rI/
1
20
15
10
0.5
5
0
0
5
10
15
20
25
rz d harmonicznej
30
35
Rys.4. Rozkład harmonicznych napi cia zasilaj cego dla układu nap dowego DC.
40
0
0
5
10
15
20
25
rz d harmonicznej
30
35
40
Rys.5. Rozkład harmonicznych pr du zasilaj cego układ nap dowy DC.
Zeszyty Problemowe – Maszyny Elektryczne Nr 71/2005
Widmo napi cia 6 kV (U2)
rednia Ur/U1 [%]
1.4
5
10
15
20
25
30
35
40
Rys.8. Rozkład harmonicznych pr du pobieranego przez filtr L1-C2.
0.6
0.4
0.2
0
5
10
15
20
25
30
35
40
rz d harmonicznej r
Rys.6. Rozkład harmonicznych napi cia zasilaj cego nap d AC.
Widm o pr d u I3 (Ip 9)
40
rednia Ir/I1 [%]
0
rz d ha rm oniczne j r
0.8
30
20
10
0
20
0
1
0
30
10
1.2
0
Widm o pr du I2 (I p7)
40
rednia Ir/I1 [%]
Na rysunkach 6, 7 i 8 zilustrowano w sposób
graficzny widma rozkładu harmonicznych napi cia zasilaj cego, pr du pobieranego przez
układ nap dowy AC oraz pr du filtra L1-C2.
Wyliczone zgodnie ze wzorami (1) i (2) wska niki THD zamieszczono w tabeli 5.
69
5
10
15
20
25
30
35
Wska niki THDI3 dla pr du odbioru zespołów
nap dowych (tabela 5) s porównywalne dla
silnika pr du stałego i asynchronicznego. Jednak pełny obraz zawarto ci harmonicznych
uzyskuje si dla stanu warto ci bezwzgl dnych
składowych rz du r = 3, 5, 7 i 11, co przedstawiono w prawej cz ci tabeli 5.
Sposób obliczenia składowych harmonicznych
pr dów dla znanej warto ci THDI oraz okre lonego widma rozkładu (odpowiednio rys. 5 i 7)
mo liwy jest na podstawie zale no ci (8) i (9):
- warto pierwszej harmonicznej pr du odbioru I3(1):
I3
(8)
I 3(1) =
1+THDI 32
- warto ci wy szych harmonicznych
40
rz d ha rm onicznej r
Rys.7. Rozkład harmonicznych pr du pobieranego przez nap d AC.
I 3( r ) =
Ir / I1
× I 3(1)
100
(9)
dla r = 3, 5, 7 i 11 (rys. 5 i 7).
Tabela 5.
Wybrane parametry jako ci energii elektrycznej nap dów walcarki
Rodzaj nap du
walcarki
Tyrystorowy
pr du stałego
Asynchroniczny
z przemiennikiem
cz stotliwo ci DTC
Wska niki THD
Warto ci skuteczne harmonicznych pr du I3
THDU2
[%]
THDI3
[%]
THDI2
[%]
I3(1)
[A]
I3(3)
[A]
I3(5)
[A]
I3(7)
[A]
I3(11)
[A]
4,36
37,2
1,62
166,8
11,7
56,7
3,3
15,0
1,75
40,5
1,93
81,6
0,6
30,1
13,1
6,5
5. Wnioski
Na podstawie zaprezentowanych bada pomiarowych dotycz cych kształtu i warto ci napi
oraz pr dów dla obu nap dów, przy jednoczesnym wykorzystaniu narz dziowych programów komputerowych DASYLab i MATLAB
wykonano obliczenia mocy czynnych, bier-
nych, pozornych i odkształcenia. Program
szybkiej transformaty Fouriera FFT umo liwił
obliczenia charakterystycznych wska ników
zawarto ci harmonicznych dla mierzonych sygnałów.
Uzyskane wyniki potwierdzaj zasadno zast pienia tyrystorowego nap du pr du stałego
70
Zeszyty Problemowe – Maszyny Elektryczne Nr 71/2005
nap dem pr du przemiennego, gdy ogranicza
to skutki negatywnego oddziaływania na przemysłow sie zasilaj c .
Podstawowe zalety nap du falownikowego
DTC w aspekcie poprawy warunków eksploatacji wynikaj cych z polepszenia parametrów
jako ci pobieranej energii elektrycznej, zwi zane s :
1) ze znacz cym ograniczeniem poboru mocy
biernej przy zachowaniu tych samych wartoci mocy czynnej i szerszego zakresu regulacji pr dko ci obrotowej silnika;
2) ze zmniejszeniem mocy biernej baterii kondensatorów w gał zi filtra L-C przy zachowaniu tych samych parametrów dławika;
3) ze zmniejszeniem o połow poboru mocy
deformacji;
4) z popraw współczynników mocy i cos
dla nap du asynchronicznego, które osi gaj
warto ci około 0,9 i s dwukrotnie wi ksze
ni dla nap du tyrystorowego pr du stałego;
5) ze zmniejszeniem o 60% wska nika
zawarto ci wy szych harmonicznych THDU
na poziomie redniego napi cia
6) z wyeliminowaniem 3-ej harmonicznej
pr du, znacz cym ograniczeniem warto ci
skutecznych podstawowej harmonicznej
i wy szych rz dów r = 5, 11 przy
zwi kszeniu udziału 7-ej harmonicznej.
Obni enie wska nika THDU na poziomie 6 kV
wpływa bardzo korzystnie na prac pozostałych
odbiorów elektroenergetycznych zasilanych
z tej samej rozdzielni.
6. Literatura
[1]. Jagieła K., Gała M.: Filtracja pasywna wy szych harmonicznych. Materiały Seminarium „Jako
i U ytkowanie Energii Elektrycznej” cz.6:
Kompensacja mocy biernej i filtracja wy szych
harmonicznych. AGH Kraków, Centrum Promocji
Jako ci i Efektywnego U ytkowania Energii Elektrycznej AGH. 4.11.2004
[2]. Jagieła K., Rak J., K pi ski M.: Wska niki THD
dla tyrystorowego układu nap dowego maszyny wyci gowej. Mechanizacja i Automatyzacja Górnictwa
Nr 6/2000, s.9-13
[3]. Jagieła K., Rak J., K pi ski M.: Jako energii
elektrycznej pobieranej przez du e nap dy. Nap dy
i Sterowanie. Nr 10/2000 s. 15-19
[4]. Jagieła K., Rak J., K pi ski M.: Wybrane parametry okre laj ce jako pobieranej energii elektrycznej przez odbiory elektroenergetyczne du ej
mocy. l skie Wiadomo ci Elektryczne nr 5/1999,
s. 3-8.
[5]. Ku mierek Z.: Zastosowanie komputerowych
technik pomiarowych do badania jako ci energii
elektrycznej. „Jako i u ytkowanie energii elektrycznej”, Tom 1 - Zeszyt 1, 1995.
[6]. Piróg S.: Energoelektronika. Negatywne oddziaływania układów energoelektronicznych na ródła
energii i wybrane sposoby ich ograniczenia. Uczelniane Wydawnictwa Naukowo-Dydaktyczne AGH
Kraków 1998. Seria Wydawnicza Komitetu Elektrotechniki PAN „Post py Nap du Elektrycznego”.
[7]. Rozporz dzenie Ministra Gospodarki i Pracy
z dn. 20.12.2004 3w sprawie szczegółowych warunków przył czenia podmiotów do sieci elektroenergetycznej, ruchu i eksploatacji tych sieci. Dz.U.
2005, Nr 2 poz.6
[8]. Strzelecki R., Supronowicz H.: Filtracja
harmonicznych w sieciach zasilaj cych pr du przemiennego. Toru 1998, Wyd. Adam Marszałek.