PE Maszyna przekształtnikowa Archiwum

PE Maszyna przekształtnikowa Archiwum

  Komutowany siecią sześcio tyrystorowy mostek trójfazowy przy kątach sterowania fazowego mniejszych od 90 deg jest prostownikiem a przy większych falownikiem. Największa pobierana z sieci moc bierna jest przy zerowym napięciu wyjściowym. W sieci energetycznej mocy czynnej i biernej dostarczają generatory synchroniczne.

Mocy może też dostarczać lub ją absorbować osobna maszyna synchroniczna a moc prądu stałego można podać do mostka tyrystorowego naturalnie komutowanego tą maszyną

Przy nominalnym wzbudzeniu napięcie maszyny synchronicznej jest proporcjonalne do jej szybkości. Przy zbyt małym generowanym napięciu maszyny nie zajdzie poprawna komutacja mostka tyrystorowego maszyny. Stąd przy komutacji naturalnej zakres regulacji obrotów dla maszyn dwubiegunowych wynosi 500-3000 obrotów na minute.

Siemens jako jeden z pierwszych koncernów wypuścił już w 1971 roku linie maszyn synchronicznych z wbudowanymi sensorami położenia kąta wirnika i przekształtników do nich Simotron. Moc wynosiła do 200 KW. Cewkę wzbudzenia elektromagnetycznego silnika czasem dla prostoty włączano w szereg z dławikiem wygładzającym prąd stały dostarczany wejściowym trójfazowym mostkiem pracującym jako prostownik i inverter co pozwala też zmniejszyć rozmiar i koszt dławika

Zatem są dwa trójfazowe mostki tyrystorowe: sieciowy i maszyny. Moment napędowy reguluje się prądem wejściowego prostownika zmieniając kąt zapłonu tyrystorów. Aby umożliwić rozruch, na jego czas, dławik wygładzający bocznikowano tyrystorem a impulsy napięcia i prądu sieciowego napędzały silnik do prędkości minimalnej przy której maszyna już naturalnie swoim napięciem komutowała tyrystory. Rozruch ten pozwala uzyskać moment do 150 % nominalnego a więc duży i zupełnie wystarczający. Maszyna ma sensory Hala (lub inne) podające informacje o położeniu rotora do układu komutacji tyrystorów mostka maszyny.

Wadą napędu przekształnikowego z komutacją naturalną jest konieczność pracy przy współczynniku mocy maszyny znacznie mniejszym od jedności ( maszyna dostarcza mostkowi mocy biernej ) aby komutacja zawsze była zupełnie bezpieczna i nie następował przewrót wyjściowego (prostownika) - falownika. Maszyna pracuje z większym prądem niż jest to wymagane do oddawanej - pobieranej mocy czyli z gorszą sprawnością ale sprawność dużych maszyn synchronicznych jest generalnie wysoka. Stosunkowo duża jest też masa dławika wygładzającego pulsacje prądu.

W przemyśle regulowane napędy elektryczne są przykładowo alternatywą do stratnych sprzęgieł hydrokinetycznych. Im nowocześniejszy jest przemysł tym więcej potrzeba regulowanych napędów ! W 1973 roku Siemens rozszerzył linie o mniejsze przekształtnikowe maszyny synchroniczne mocy 7.5, 11, 15, 22 i KW. Zastosował komutacje wymuszoną i zakres regulacji prędkości wynosi 50:1. Maszyna pracuje z dużym współczynnikiem mocy. Mniejsze maszyny mają już magnesy stałe.

Linie uzupełniono o mniejsze maszyny szybkobieżne nawet do 60 000 obrotów na minute (!), głównie do przemysłu tekstylnego i do zastosowań specjalnych. Szybkobieżne silniki stosowane są do wirówek do wzbogacania uranu.

W ślady Siemensa poszły Hitachi, Fuji, Mitsubishi , Toyo...

Jako niekatalogowe oferowane są napędy mocy do 25 MW ! Duże jednostki stosowane są przykładowo w hutnictwie.

Dobrze wyważone silniki średniej - dużej mocy z dobrymi łożyskami mogą pracować nawet z prędkością do 4.5 tysięcy obrotów ( czyli zasilane częstotliwością 75 Hz i napięciem do 150% Un, przy dwóch biegunach ) co daje na przykład możliwość napędzania pomp bez mechanicznej przekładni podwyższającej.

N.B. Do elektrowni jądrowej w Żarnowcu paliwo jądrowe będziemy raczej kupować w ZSRR ale wzbogacanie uranu nie jest ponad siły Polski.

Schemat układu wyzwalania fazowego sieciowego mostka tyrystorowego jest typowy i zamieszczanie kolejnego schematu sterownika jest niecelowe. Wykonanie impulsów dla tyrystorów mostka maszyny z sygnałów z sensorów Halla położenia rotora jest trywialne. Również układ rozruchowy nie jest skomplikowany

Napęd statków handlowych i okrętów wojennych stanowi obecnie najczęściej wolnoobrotowy silnik Diesla o wysokiej sprawności zasilany tanim paliwem pozostałościowym czyli mazutem lub Heavy Fuel Oil, HFO.

Oprócz tego drogo energie elektryczną ( ponad trzy razy drożej niż elektrownie na lądzie ) wytwarzają na statku agregaty Diesla o mocy jednostkowej do 3 MW. Lekkie paliwo dieslowskie dla nich jest dużo droższe od HFO a sprawność silników agregatów jest niższa niż silnika głównego. Agregaty prądotwórcze są też dość drogie a ich przebieg do remontu jest ograniczony. Kierujący okrętem wyznacza obroty silnika głównego i częstotliwość napędzanego przez niego ( poprzez przekładnie podwyższającą ) generatora synchronicznego znacznie się zmienia. Jego napięciem nie można niczego wprost zasilać. Aby ograniczyć w rejsie zużycie drogiego lekkiego paliwa stosuje się „prądnicę wałową”

Napięcie z generatora synchronicznego napędzanego silnikiem głównym jest prostowane prostownikiem diodowym ( napięcie i prąd DC regulowane jest wzbudzeniem regulatora napięcia przez AVR ) i podane dławikiem do maszyny przekształtnikowej która jednak niczego nie napędza (moc odbiera sieć statku ) ani nie hamuje a tylko komutuje mostek tyrystorowy i wytwarza moc bierną! Kąt wyzwalania tyrystorów mostka falownika reguluje się w zakresie 140-160 deg ( lub najczęściej jest stały gdy równolegle pracujące agregaty wyznaczają częstotliwość napięcia sieciowego ) tak aby do maszyny była podana niewielka moc czynna utrzymująca jej prędkość synchroniczną na przykład 3000 lub 3600 obrotów zależnie od nominalnej częstotliwości sieciowej 50 lub 60 Hz. Generator „komutacyjny” dostarcza też falownikowi mocy biernej. Generator ma mieć niską impedancje. Napięcie z maszyny „komutacyjnej” jest podane do energetycznej sieci statkowej. Maszyna jednak sama nie podejmie pracy. Do prędkości podsynchronicznej rozpędzi ją silnik asynchroniczny mocy kilku % mocy generatora.

Schemat za Energoelektronika na statkach, S. Wyszkowski, Gdańsk 1981.

Równolegle do generatora często stosuje się jako odciążające generator „komutacyjny” źródło mocy biernej szeregowy dwójnik z kondensatorem mocy biernej i dławikiem nastrojonym na 5 harmoniczną. Dwójnik ten ogranicza też szpilki napięcia w sieci spowodowane komutacją tyrystorów. Ponieważ generator przekształtnikowy ma mieć małą wymaganą impedancje to pokazany dodatkowy dławik ogranicza prąd zwarcia w sieci. Oczywiście system ma liczne zabezpieczenia. Podstawową wadą jest praca mostka tyrystorowego jako falownika z niebezpieczeństwem przewrotu przy znacznym obniżeniu napięcia generatora. Prąd załączenia dużego silnika asynchronicznego wynosi 6-7 In i to co gorsza przy małym współczynniku mocy co powoduje znaczne spadki napięcia generatora synchronicznego. Generator „komutacyjny” musi mieć szybki i wydajny system forsownego wzbudzenia aby zapobiec spadkowi napięcia na nim przy uruchomieniu dużego silnika indukcyjnego.

Brak zasilania na statku stwarza ryzyku wypadku a nawet katastrofy i system energetyczny musi być niezawodny. Po upadku system musi szybko w nowej konfiguracji podjąć prace.

Lepszym rozwiązaniem niż falownik naturalnie komutowany maszyną synchroniczną byłby falownik z modulacją PWM bez generatora „komutacyjnego” na przykład z tyrystorami GTO ale takowych jeszcze nie ma choć na pewno się pojawią. Maszyna przekształtnikowa jest technologią przejściową do czasu gdy odpowiednie dla falowników PWM klucze mocy stanieją.

„Prądnica wałowa” ma wpływ na koszty eksploatacyjne statku zwłaszcza w długim horyzoncie czasu. Toteż trwałe wysokiej jakości i ceny jednostki z reguły mają prądnice wałową. Umożliwia ona w czasie rejsu przeprowadzenie przez mechaników okresowego remontu jednego z agregatów prądotwórczych i ich czas pracy jest wykorzystany. Korzyści ekonomiczne są niebagatelne.

Statek może też mieć elektryczny napęd główny. Może to być silnik synchroniczny przekształtnikowy, silnik asynchroniczny lub odchodzący już komutatorowy silnik prądu stałego.

W Polsce produkowane są odpowiednie licencyjne tyrystory do „prądnicy wałowej”. Wyprodukowanie generatora „komutacyjnego” nie powinno sprawić trudności a możliwe że odpowiedni jest standardowy generator z niewielką modyfikacją.

W świecie opłacalność produkcji kadłubów statków polegającej na cięciu i spawaniu grubych blach cały czas ( wygładzając wahania światowej koniunktury ) spada. Prace spawalnicze statków są zresztą w świecie ( ale nie w Polsce ) mechanizowane i automatyzowane.

Rozwiązaniem jest produkcja drogich i poszukiwanych pływających jednostek specjalistycznych gdzie napędów elektrycznych jest cała masa.

Od ćwierć wieku trwa spektakularny rozwój górnictwa morskiego.

Drogie są przewozy ciężkich jednostkowo ładunków. Przewożone są specjalistycznymi jednostkami platformy wiertnicze i wydobywcze dla ropy i gazu zimnego, reaktory chemiczne i jądrowe, turbiny, generatory, transformatory, kotły do elektrowni, małe i uszkodzone okręty... W potężnych dźwigach ( także na pływających żurawiach ) stosowane są regulowane napędy.

Na dynamiczną stabilizacje położenia wielkich wycieczkowców pozwala … napęd elektryczny wraz ze sterowanymi „płetwami”. Stabilizacja przeciw - kołysaniowa luksusowego wycieczkowca jest koniecznością bowiem bogaty turysta nie chce na statku chorować ale się bawić i cieszyć życiem. Stosunkowo drogie są też promy.