Pohony velkých výkonů s frekvenčními měniči 3,3 kV

Pohony velkých výkonů s frekvenčními měniči 3,3 kV

1. Úvod

V roce 2000 byl realizován regulovaný pohon 1 600 kW, 1 500 ot/min, čerpadla č. 2 v Pražských vodárnách a kanalizacích a. s., závod Káraný, včetně zpracování projektové dokumentace, stavebních úprav, montáže, uvedení do provozu a garančních měření (obr.1). Charakteristika: rekonstrukce celého původního zařízení včetně strojní části. U původního zařízení se regulace prováděla škrcením. Rozsah regulace 1 100 až 1 500 ot/min.

2. Popis technického řešení a komponent

Regulované pohony s frekvenčními měniči vn jsou vždy uspořádané v tzv. blokovém zapojení: transformátor, frekvenční měnič, motor. Transformátor má kromě základní ještě další tři neopomenutelné funkce:

• slouží k potlačení nízkých harmonických tzv. energetického rušení; používá se 12ti popř. 24pulsní zapojení,
• stínicí vložka mezi primárním a sekundárními vinutími potlačuje šíření vysokofrekvenčního rušení,
• definování cesty uzavírání vyrovnávacích proudů v důsledku tzv. „common mode voltage“.

2.1 Zvláštnosti technického řešení pohonu v elektrárně Tisová
Pohon je realizovaný v blokovém uspořádání transformátor, měnič, motor. Pro případ poruchy vloženého zařízení – transformátor, frekvenční měnič je součástí dodávky poloautomatický „bypass“ (přemostění), umožňující chod motoru v režimu bez regulace otáček, při přímém napájení ze sítě 6 kV/50 Hz.

Firma ELCOM, a. s., úspěšně zrealizovala dodávku dvou regulovaných pohonů s frekvenčními měniči 3,3 kV, z řady ACS 1000 (výrobce ABB), s přímým řízením momentu (DTC).

V roce 1999 se jednalo o regulovaný pohon 2 800 kW, 1 000 ot/min, kouřového ventilátoru fluidního kotle K11, v ČEZ a. s. v elektrárně Tisová při zachování původního motoru (bez úprav), včetně zpracování projektové dokumentace, stavebních úprav, montáže, úprav řídicího systému fluidního kotle, uvedení do provozu, garančních měření. Charakteristika: rekonstrukce stávajícího pohonu, u kterého se původně prováděla regulace natáčením lopatek oběžného kola, strojní část zůstala beze změn. Rozsah regulace 400 až 1 000 ot/min.

Základní, původní zapojení statorového vinutí motoru je do hvězdy, pro napětí 6 kV. Při chodu s frekvenčním měničem s výstupním napětím 3,3 kV je statorové vinutí motoru přepojené do trojúhelníka. „Bypass“ má tedy dvě funkce: přemostění transformátoru s frekvenčním měničem a zpětné přepojení motoru do hvězdy.

Frekvenční měnič je použit chlazený vodou v krytí IP54, s dvouokruhovým deskovým výměníkem voda-voda. Chladicím médiem primárního okruhu je deionizovaná voda. Sekundární okruh je připojen do vnitřního rozvodu chladicí vody v elektrárně.

Plynulé řízení množství vzduchu odtahovaného kouřovým ventilátorem je realizováno pomocí PID regulátoru, který je součástí blokového řídicího systému DAMATIC. Řízení je vzhledem ke specifickým provozním podmínkám řešeno jako kombinované, dvouúrovňové. Jemná regulace při malých regulačních odchylkách se děje pouze změnou otáček. Skoková regulace, při skokových technologických změnách, na které musí kotel reagovat okamžitě, probíhá v součinnosti stávajícího regulačního věnce a regulace pomocí otáček motoru. Cílem regulace je, aby regulační věnec byl neustále plně otevřený. Druhým cílem je, aby regulační ústrojí věnce bylo „neustále“ v pohybu, aby nedošlo k jeho znehybnění v důsledku inkrustací z kouřových spalin.

2.2 Transformátor
U obou pohonů jsou použité trojvinuťové, suché, usměrňovačové transformátory ABB typu RESIBLOC, s převodem 6/1,9/1,9 kV, ve spojení Dd0yn1. Jejich významnou předností je pyramidové vinutí vn, které zabezpečuje rovnoměrné rozdělení potenciálu po vinutí při rázovém přepětí a zabraňuje vzniku dalších násobných napěťových rezonancí při rázovém přepětí. Velké vzduchové kanály uvnitř cívek umožňují lepší chlazení proti zalévanému provedení.

Transformátory ABB typu RESIBLOC jsou vyrobené nejmodernější technologií (obr. 2), která spočívá v použití 80 % skelných vláken a jen 20 % epoxidové pryskyřice pro izolaci vinutí. Takto vyrobené cívky jsou proti klasickým technologiím lití mnohem pevnější jak po elektrické, tak po mechanické stránce. Další výhodou je nehořlavost a nenasáklivost izolačního materiálu. Proto transformátory typu RESIBLOC nevyžadují vysoušení cívek před uvedením do provozu. Jejich minimální předpokládaná životnost je 40 let.

2.3 Frekvenční měnič
V obou případech byly použity frekvenční měniče ACS 1000 se vstupním usměrňovačem v základní verzi tj. ve dvanáctipulsním zapojení pro eliminaci 5. a 7. harmonické, se vstupním napětím 1,9 kV. U pohonu 1 600 kW je použit vysokonapěťový měnič frekvence s napěťovým meziobvodem (médium voltage frequency convertors – dále jen MVFM) s chlazeným vzduchem; MVFM 2 800 kW má dvouokruhové chlazení vodou. Chladicím médiem primárního okruhu MVFM je deionizovaná voda.

Frekvenční měniče řady ACS 1000 lze řídit následujícími způsoby, popř. je kombinovat:

1. Lokálně z ovládacího digitálního panelu se čtyřřádkovým alfanumerickým displejem, který umožňuje trvale sledovat tři vybrané charakteristické veličiny pohonu.
2. Dálkově z jednoho nebo ze dvou externích řídicích míst pomocí řídicí svorkovnice I/O. K tomuto způsobu řízení je možné využít analogových a číslicových vstupů, analogových a reléových výstupů umístěných na řídicí svorkovnici. Všechny vstupy a výstupy jsou standardně galvanicky odděleny. V případě požadavku zákazníka je možné měnič doplnit o externí moduly, které slouží ke zvýšení počtu vstupů a výstupů měniče.
3. Dálkově po sběrnici (option) v některém z následujících protokolů: Profibus DP, Profibus FMS, Modbus, Modbus+, Allen-Bradley Device Net, ABB Advant Fieldbus 100, ABB Procontic CS31.

Pro ovládání obou pohonů byla použita kombinace způsobů 1 a 2. Pro servisní ovládání lokální ovládací panel, pro provozní ovládání řídicí I/O svorkovnice.

2.4 Motor
Na motor nejsou kladené žádné speciální požadavky mimo logického požadavku, že dimenzování motoru musí respektovat charakter průběhu protimomentu zátěže v závislosti na otáčkách, popřípadě zatěžovací cyklus.

Pozn.: Motor musí mít jedno ložisko izolované, aby bylo zamezeno vzniku ložiskových proudů. To ale obvykle, vzhledem k velikosti hřídelového napětí, patří ke standardní výbavě většiny motorů ve výkonové oblasti nad 1 MW, tedy tam, kde je ekonomické aplikovat MVFM.

2.5 Popis principu řešení ochran
Ochrana celého pohonu a jeho komponent je řešena globálně ve dvou úrovních.

1. Úroveň
Vývod 6 kV, transformátor a vstupní usměrňovač ACS 1000 jsou jištěné proti zkratu ochranou SPAJ140C. Volbě ochrany a proudových transformátorů je třeba věnovat velkou pozornost, protože vypnutí zkratu na vstupním usměrňovači musí být provedeno asi do 100 ms. Současně se však při návrhu ochrany musí respektovat zapínací proud transformátoru. Na ochranu proti přetížení nejsou kladené žádné extrémní požadavky vzhledem k tomu, že k přetížení transformátoru z provozních důvodů nemůže dojít. Frekvenční měnič je schopen trvale odebírat pouze menší než jmenovitý proud transformátoru a velikost odebíraného proudu sám diagnostikuje.

2. Úroveň
Zbývající část pohonu je globálně chráněna frekvenčním měničem, který přebírá funkci multifunkční ochrany a monitorovacího zařízení. Vysoká bezpečnost provozu frekvenčního měniče je v prvé řadě zajištěna jeho bezpojistkovým řešením. Pojistky jsou nahrazené polovodičovými spínači IGCT, umístěnými za vstupním usměrňovačem, které pracují více jak 1 000krát rychleji než klasické pojistky. Při jejich zapůsobení nedochází k jejich destrukci – jejich funkci lze přirovnat k funkci klasického jističe. Frekvenční měnič obsahuje navíc mnoho ochranných, chybových a varovných funkcí včetně jejich současné diagnostiky – např. ztráta napájecí fáze, zkrat na usměrňovacím můstku, zkrat v invertoru, chyba nabíjení stejnosměrného meziobvodu, podpětí, přepětí, ztráta fáze na motoru, nadproud, mechanické zablokování motoru, ztráta zátěže, překročení limitních otáček, monitorování stavu baterií, ztráta měření, monitorování teploty motoru (PTC popř. Pt100), monitorování teploty transformátoru (PTC popř. Pt100), porucha komunikace.

3. Výsledky garančních zkoušek

Oba regulované pohony byly podrobeny přísným a podrobným garančním zkouškám jak z hlediska funkčnosti, výkonového dimenzování a úspor elektrické energie, tak z hlediska EMC a kvality výstupního napětí z výstupu frekvenčního měniče. Jako příklad jsou dále uvedeny výsledky z měření pohonu kouřového ventilátoru.

3.1 Výkonové dimenzování pohonu a úspora elektrické energie
Technické parametry pohonu:

• Zařízení: radiální ventilátor Rothemühle typ – gIIl-177.5-ALK;
• Moment setrvačnosti ventilátoru: 5 714 kg·m²;
• Moment setrvačnosti motoru: 430 kg·m²;

Chod bez regulace otáček, otevřené regulační ústrojí – výpočtové pracovní body:

• Jmenovitý: 2 800 kW při 995 ot/min, tj. 25 596 Nm (100 %);
• Skutečný: 2 667 kW při 995 ot/min, tj. 24 828 Nm.

Protože fluidní kotel je dimenzovaný na teoretický parní výkon 380 t páry za hodinu, je i při maximálním technologickém výkonu 350 t páry za hodinu regulační ústrojí na oběžném kole ventilátoru přivřeno. Kromě předpokládaného zatížení motoru po celém rozsahu otáček při trvalém chodu je v něm znázorněna krátkodobá přetížitelnosti ACS 1000 a průběh mezního zatížení motoru.

Označení průběhů:
Průběh 1: Skutečný průběh protimomentu ventilátoru;
Průběh 2: Vypočítaný průběh protimomentu ventilátoru pro výkon 2 800 kW, 995 ot/min;
Průběh 3: Momentová charakteristika frekvenčního měniče pro trvalé zatížení;
Průběh 4: Momentová charakteristika FM při krátkodobé 10% přetížitelnosti pro časový interval 1 min každých 10 min;
Průběh 5: Zatěžovací křivka – dovolené zatížení motoru v trvalém chodu (je limitována tepelnou kapacitou motoru);

Plocha vymezená křivkami 5 a 1 představuje momentovou rezervu pohonu v jednotlivých pracovních bodech v ustáleném chodu.

Plocha vymezená křivkami 4 a 1 představuje krátkodobou momentovou rezervu pohonu v jednotlivých pracovních bodech (interval 1/10 min).

3.2 Úspora elektrické energie dosažená u pohonu 2 800 kW
V rámci garančních zkoušek byl v dvouhodinových cyklech měněn výkon kotle z technologického minima na technologické maximum. Vyhodnocení bylo provedené zprůměrováním metodou časové integrace. Na základě analýzy ročního zatěžovacího diagramu kotle a zároveň přepočtem na srovnatelné provozní podmínky byla určena průměrná úspora vztažená na hodinu provozu kotle ve výši 765 kW·h v každé provozní hodině.

3.3 Kvalita napětí na výstupu frekvenčního měniče
Celkový činitel zkreslení THD výstupního napětí měniče (tj. vstupní napětí motoru) je ve jmenovitém bodě (2 800 kW, 50 Hz) menší než 1 %. S klesajícím kmitočtem se THD zvyšuje asi do 2 %. Napětí na výstupu z měniče má prakticky sinusový charakter, proud je čistě sinusový – proto v motoru nedochází ke vzniku přídavných ztrát.

Pozn: Pro srovnání – podle ČSN EN 61000-2-4 celkový činitel zkreslení THD ve třídě 1 (nejpřísnější požadavek) v rozvodné síti nesmí převýšit hodnotu 5 %. Paradoxně tak může být motor napájen z frekvenčního měniče napětím s lepším THD než pří přímém napájení ze sítě.

3.4 EMC kompatibilita zařízení – energetické rušení.
Ve fázi zpracování projektu byl proveden výpočet pro konkrétní místní podmínky v místě připojení primárního vinutí blokového transformátoru na úrovni 6 kV – zkratové parametry S_KS = 191,152 MV·A, I_KS = 17,517 kA, I_KM = 47,538 kA, I_KE=19,269 kA – a chod při jmenovitém výkonu a kontrola zpětného vlivu pohonu na síť pro třídu 2 podle ČSN EN 61000-2-4.

3.4 EMC kompatibilita zařízení – vysokofrekvenční rušení
Výrobce frekvenčního měniče garantuje při splnění technických podmínek pro instalaci kompatibilitu zařízení podle ČSN EN 61800-3. Provedená měření prokázala splnění úrovně odrušení pro průmyslové prostředí podle uvedené ČSN.

4. Závěr
V současné době jsou obě zařízení v provozu a slouží k plné spokojenosti obou provozovatelů k účelům, pro které byla vyprojektována. Kromě ne bezvýznamných technologických předností přináší i nezanedbatelnou úsporu elektrické energie. Lze si jenom přát, aby i tyto pohony v oblasti velkých výkonů, kde se zatím vyskytují jen velmi sporadicky, nalezly, až překonají počáteční nedůvěru, větší počet aplikací.

Pozn.: Článek Frekvenční měniče pro pohony velkých výkonů obsahující obecné informace o MVFM byl zveřejněn v ELEKTRO č. 9/2001.

Kontaktní adresa:
Ing. Vojtěch Kulda CSc.
ELCOM, a. s., Divize pohony, Novodvorská 994, 142 21 Praha 4
tel./fax: 02/44 04 24 67, 44 04 24 58
e-mail: vojtech.kulda@elcom.cz
http://www.elcom.cz