CERINŢE PRIVIND ACŢIONĂRILE ELECTRICE
REGLABILE ÎN INDUSTRIE
Noile Combinate Metalurgice de Oţeluri sunt construite tot mai mult
cu secţii de producţie cât mai mici, de exemplu laminoarele au fost
redimensionate cu tendinţa de cree4re de minilaminoare de oţeluri amplasate
în locuri îndepărtate, unde reţelele de alimentare cu energie electrică sunt
dimensionate la nivele mai scăzute.
Combinatele vechi sunt modernizate în special în ţara noastră, fără să
se ţină seama de îmbunătăţirea sistemelor energetice de alimentare în
conformitate cu cerinţele utilajelor tehnologice.
Beneficiile producţiei şi a productivităţii mărite sunt mult diminuate
datorită problemelor ce apar din cauza reţelelor electrice şi a menţinerii
limitelor de calitate a energiei electrice.
În combinatele româneşti nu se poate realiza la ora actuală corelarea şi
şi operarea cu cuptoarele cu arc electric de medie tensiune (35 kV) de tip
EAF în condiţii de siguranţă şi de încărcare uniformă a reţelelor electrice
locale şi zonale, fapt ce determină ca liniile de alimentare cu energie
electrică să fie exploatate ineficient şi în deplină siguranţă fără menţinerea
calităţii în limitele impuse de echipamentul local.
În ţările dezvoltate, în special în SUA, au fost luate măsuri de
eficientizare a consumului energetic şi de menţinere în limite admisibile a
calităţii energiei electrice, de exemplu în Combinatul Nucor III din Berkeley
s-a modernizat un minilaminor care produce în general colaci la cald din
PC 52 sau Grade 40 şi Grade 60 cu carbon ridicat.
La acest Combinat energia electrică este furnizată printr-o singură
linie aeriană de 230 kV ca şi în cazul S.C. COS. TGV, cu o capacitate
maximă de scurtcircuit de 500 MVA la punctul de cuplaj şi 2950 MVA la
punctul de cuplaj comun când una din liniile de 230 kV nu lucrează. Partea
externă a laminorului e configurată după cum se arată în figura 1 cu două
secţiunii independente de 35 kV repartizate pe două direcţii:
I. Linia de alimentare a oţelăriei cu un cuptor cu arc de c.c. de 150
tone cu o putere maximă de 112 MW cu două subsisteme:
- linia de alimentare de rezervă pentru un al doilea cuptor;
- linia de alimentare pentru două cuptoare metalurgice de turnare în
c.a. de 25 MVA fiecare.
Cuptorul de elaborare cu bobină de reactanţă controlată cu tiristorii de
160 MVAR şi circuite de filtrare totalizând 115 MVAR.
Filtrele sunt dimensionate pentru a realiza compensarea armonicilor
superioare pentru două cuptoare cu puterea de 112 MW şi 150 tone.
II. Linia de alimentare de consum constant numită şi calea curată
de alimentare, alimentează cicloconvertoarele pentru laminorul
principal şi cel auxiliar.
Laminorul de sârmă are un transformator de alimentare de 80 MVAR
şi filtre armonice active de 80 MVAR. Faţă de aceste tipuri de alimentări
combinatele noastre sunt alimentate pe două nivele de tensiuni, ficare nivel
de tensiune având câte trei linii de alimentare.
Între liniile de tensiune de 230 kV şi 110 kV există legături prin
autotransformatoare. Configurarea definită a liniilor de alimentare de înaltă
tensiune, conduce la transferul regimurilor deformate din liniile de
alimentare ale laminoarelor către liniile de alimentare ale oţelăriilor cu
consecinţe deosebite asupra calităţii energiei şi a echipamentului de
comutaţie.
Această configuraţie conduce la consumuri energetice ridicate în
primul rând în transformatoare şi al doilea rând pentru faptul că nu sunt luate
măsurile necesare pentru compunerea factorului de putere şi a regimului
deformant.
Echipamentele electrice ale staţiilor electrice ia în considerare
următoarele: cuptoarele electrice au caracteristici de funcţionare neliniare şi
foarte neregulate, cuptoarele în c.a. au o sarcină asimetrică şi introduce
distorsiuni de tensiune şi abateri de la forma sinusoidală, deplasări ale
punctelor neutre de tip dinamic şi static, un factor de putere scăzut şi
fluctuant. Apar supratensiuni repetivive şi periodice scurte de timp, cauzate
de fluctuaţiile rapide ale consumului de putere reactiva în cuptorul EAF.
Aceste distorsiuni ale tensiunii din reţeaua de alimentare sunt considerate
perturbatoare şi pentru alţi consumatori.
Convertoarele de frecvenţă pentru comenzile cu viteză variabilă de la
laminoarele de bare şi benzi electrotehnice sunt de asemenea generatoare de
vârfuri periodice de sarcină. Curenţii de ordin ridicat rezultaţi la turaţiile
regimului deformant căt si fluctuaţiile de tensiune trebuiesc micşorate pentru
a nu genera problemele sau accidente în reţeaua de alimentare.
Din cauza numărului mare de consumatori cu variaţii de sarcină şi
generatori de putere deformantă apare necesitatea ca atât consumatorii cât şi
companiile de electricitate să ia măsuri stricte pentru suplimarea efectelor pe
care le produce sistemul energetic.
În sistemele energetice din Europa de Vest şi S.U.A., companiile de
electricitate iau permanent măsuri pentru întrepuperea furnizării de energie
în cazul nerespectării regulilor stabilite pentru păstrarea calităţii energiei
electrice. Faţă de aceste considerente în România se impune în viitor ca
specialiştii energeticeni şi electrotehnişti să treacă la alegerea celor mai bune
sisteme de comandă pentru liniile de proces, cum de fapt s-a şi procedat în
cazul Combinatului de Oţeluri Speciale Târgovişte, unde sistemele pompare,
ventilare, acţionări principale, au fost modernizate prin sisteme şi agregate
noi cu control prin convertizori de frecvenţă. Scopul urmărit în alegerea
celui mai bun sistem de comandă pentru liniile de proces este realizarea unui
proiect de calitate şi care să prezinte siguranţă şi în acelaşi timp cerinţele
beneficiarului şi încadrarea în buget.
CONFIGURAREA CĂILOR ŞI SOLUŢIILOR ÎN
STRATEGIA ENERGETICĂ A COMBINATELOR
METALURGICE
Elementele de bază ale acţionărilor electrice moderne sunt
convertizoarele de frecvenţă.
În configuraţile cu acţionări electrice reglabile în circuitele de curent
alternativ se oferă avantajul unor gabarite reduse ale redresorului comandat
cu sarcini regenerative care se pot constitui cu surse adiţionale pentru
sarcinile motorului sau pentru comutaţii şi protecţii. Gabaritul redus al
redresorului a condus la micşorarea reactanţelor de linie, a întreruptoarelor
de circuit şi a transformatoarelor de alimentare cât şi costurile suplimentare,
iar transferul de energie de pe calea de curent continuu se realizeă mai rapid.
Pentru mărirea flexibilităţii şi permiterea funcţionării motoarelor
individuale se poate folosi un circuit de preîncărcare între invertor şi
întreruptorul de deconectare situat pe partea de curent continuu. Pentru
rezolvarea acestui deziderat a fost nevoie de o soluţie pentru reglarea şi
stabilizarea căii de curent continuu în special acolo unde a permis comenzi
în diferite momente ale funcţionării.
Aparatura completă c.a.–c.c.–c.a. denumită şi unităţi convertizoare,
poate satisface funcţionarea fără perturbarea altor consumatori şi în acest caz
nu mai este nevoie de circuite de pregătire şi preîncărcare. Această
configurare cu unităţi convertizoare necestă o proiectare mai atentă şi un
efort financiar mai mare pentru unităţile dintre convertizoare şi
transformatoare, întrucât distribuţia ar reprezenta suplimentarea cu
întreruptoare şi reactanţe de comutaţie suplimentare. În plus cerinţele de
putere în KVA pentru o linie completă sunt distribuite între mai multe
transformatoare cu valori nominale diferite. În cazul când sarcinile
regenerative ale motorului care nu sunt compatibile pentru un grup de
comenzi, există motive de a adapta circuitul intermediar de curent continuu
la buna manevrare a distrubuţiei de putere de la transformator şi circuitul
invertor.
Îmbunătăţind modelul de operare a unei acţionări cu sarcini
individuale se poate reduce şi prin determinarea exactă a timpilor de lucru şi
a diagramelor de încărcare sau prin aflarea sarcinilor ce nu coincid cu
sarcinile nominale totale.
CONSIDERAŢII ASUPRA REŢELELOR DE
ALIMENTARE TOTALE
Configuarea optimă a schemelor de alimentare oferă îmbunătăţire
referitoare la cerinţele de putere reactivă scăzută din reţea. Unităţile de
îmbunătăţire a factorului de putere asigură cos 0,95 şi o putere reactivă
scăzută conducând la îmbunătăţirea utilizării liniei.
Cu privire la reţea este foarte important să considerăm limitarea
distorsiunii armonice determinate de configurarea comenzilor. Întrucât
mărimea distorsiunilor depinde de impedanţă şi este sesizată de unitatea de
comandă se recomandă o reactanţă de intrare ridicată pentru situaţiile când
întreruperile sunt de durată şi folosirea unei impedanţe de scurtcircuit
reduse.
Pentru mărirea disponibilităţilor sistemului se foloseşte un
transformator de serviciu cu invertor flotant capabil să prevină căderile de
tensiune şi pentru situaţiile când sunt puneri la pământ.
Detectoarele de punere la pământ generează o alarmă şi permite
personalului înlăturarea deranjamentului şi evitarea timpilor morţi.
Prin utilizarea acestei măsuri şi selectând bine impedanţa
transformatorului nivelul căderii de tensiune se poate reduce putându-se
astfel evita situaţia alimentării uni redresor să fie făcută numai printr-un
singur transformator.
Pentru situaţiile în care un transformator alimentează mai multe
unităţi de redresoare este necesară utilizarea reactanţelor de comutaţie
deoarece efectele comutaţiei nu pot fi excluse.
Prin schimbarea conexiunilor din secundarul transformatorului (de la
triunghi la stea şi invers) se pot reduce conţinutul armonicilor din reţea.
În aplicaţiile de puteri mari care necesită mai multe redresoare
paralele, o punte cu 12 pulsuri poate fi realizată printr-un transformator cu
înfăşurări secundare de tip diode defazate electric cu 300el. În ambele situaţii
obiectul este de a reduce la maxim conţinutul de armonici de ordinul 5 şi 7 şi
de diminuare a distorsiunilor de curent în înfăşurările primare ale
transformatorului.
În cazul reţelor de alimentare de puteri mici la care nici una din
măsurile descrise mai sus nu sunt eficiente, pentru reducerea impactului
negativ cauzat de supratensiunile şi de efectele comutaţiei sau de alte
evenimente tranzitorii, se recomandă utilizarea unor redresoare cap-coadă
active.
Avantajele redresoarelor active FUND-END (F.E.)
- redresoarele active iau energia de curent alternativ curată (fără
conţinut de armionici superioare);
- permit contrlarea factorului de putere;
- permit diminuarea supratensiunilor externe;
- au răspuns al comenzii extrem de dinamic;
- funcţionează în patru cadrane cu tranziţie uşoară de la regimul de
motor la cel de generator şi au capabilitatea regenerativă de 100%;
- nu au şi nu generează căderi de tensiune datorită comutaţiei;
- poate stabiliza tensiunea din reţelele de tensiune scăzută.
Investiţia suplimentară pentru aceste unităţi se recuperează pe termen
lung, din economiile făcute din compensarea puterii reactive şi din costurile
operaţionale provenite din capabilitatea unităţilor de a asigura o energie
curată, controlabilă şi sigură în cele mai severe condiţii de reţea.
O variantă mai nouă este folosirea redresoarelor de tip regenerativ cu
diode sau tiristori. Avantajul acesteia este că asigură posibilitatea de a
alimentare cu energie de frânare generată prin decelerarea sarcinilor de la
motor şi recuperarea acesteia în reţeaua de alimentare. Totuşi aceasta nu
constituie o prioritate pentru Combinatele Metalurgice, mai ales dacă
energia obţinută prin frânare nu justifică costul echipamentului.
Din cauza faptului că este necesar menţinerea circuitului intermediar
de curent continuu la acelaşi nivel de tensiune în timpul frânării este nevoie
de un autotransformator care trebuie să asigure o creştere a tensiunii de
alimentare pentru puntea regenerativă cu 20%, ceea ce compensează
scăderea tensiunii cauzate de limitarea unghiului de amorsare pentru această
punte. Un redresor cu o singură punte asigură o soluţie optimală pentru
cazurile în care energia de frânare este de nivel scăzut sau poate fi disipată
prin intermediul rezistenţelor de frânare CHOPPER-elor conectate la calea
de curent continuu (circuit intermediar). Se preferă această soluţie întru-cât
economiseşte spaţiu, prin faptul că rezistenţele de frânare sunt localizate în
afara liniei. Prin urmare nu trebuie luată în considerare disiparea de căldură
suplimentară pentru circuitul intermediar.
TENDINŢE NOI ÎN ALEGEREA MOTOARELOR DE
ACŢIONARE A UTILAJELOR METALURGICE
În cadrul liniilor de alimentare şi a acţionăriilor electrice din
metalurgie merg de la câţiva kW până la câteva sute de kW. Această gamă
de putere face ca motorul asincron să fie pe primul plan. Pentru vârtelniţe,
buclatoare şi căile cu role sau cajele de laminare cât şi acţionările electrice
ale utilităţiilor din metalurgie, gama de putere se poate extinde până la
9 MW. Pentru aplicaţiile din metalurgie, caracteristicile motorului trebuie să
fie critice pentru a evita valori ale curentului nominal mari care necesită
dimensiuni mai mari ale invertorului şi costuri mărite ale invenstiţiei.
Figura 2 evidenţiază un exemplu tip de aplicaţie vârstelnită
(înfăşurător) cu caracteristica de sarcină figurată cu linie roşie.
Viteza de bază a acestei aplicaţii este de 300 rot/min. Pentru aceste
tipuri de sarcină se compară două opţiuni posibile de motor, considerând
impactul cerinţei de suprasarcină la viteza maximă a motorului.
Caracteristicile mecanice ale motorului reprezentat cu albastru sunt
pentru motorul standard.
Ambele opţiuni sunt pentru un motor cu 8 (opt) poli, cu un cuplu
constant prezentat pe aceleaşi axe. Opţiunea specială în albastru este cea mai
recomandată deoarece asociază mai bine cuplul cerut de sarcină.
Întrucât cuplul descreşte foarte rapid, această alegere poate să fie
menţinută doar dacă viteza maximă a mecanismului de antrenat nu depăşeşte
900 rot/min, luând în considerare o limită de suprasarcină adecvată.
Fig. 2 Caracteristicile de ieşire ale motorului de acţionare a unui înfăşurător
Avantajul deosebit pentru această alegere este încadrarea la curentul
nominal al motorului ce apare datorită sarcinii şi atingerii tensiunii nominale
de 480 V la o viteză mai mică decât cea sincronă. Această opţiune standard
trebuie selectată dacă viteza maximă a motorului sau a pompei necesară este
mai mare de 1500 rot/min.
Alegerea invertoarelor şi a accesoriilor pentru mecanismele de bază din
metalurgie
Alegerea invertorului se poate realiza după cunoaşterea parametrilor
motorului. Întrucât majoritatea aplicaţiilor efectuate în colectivele de
energeticieni ai societăţii noastre sub coordonarea tehnică personală conform
lucrărilor “Acţionări electrice cu maşini asincrone trifazate de puteri mari” şi
prin faptul că acţionările noi sunt prevăzute cu invertoare, atunci integrarea
bazelor de date a producătorilor de motoare în dimensionarea parametrilor
existente a fost esenţială şi mai ales pentru cea a timpilor de proiectare.
Numărul accesorilor pentru comandă a fost analizată de la o aplicaţie
la alta.
Circutele de preîncărcare
Circuitele de preîncărcare extinde posibilitatea de a întreţine
comenzile individuale ale liniei pe perioada funcţionării. Această alegere a
circuitelor de preâncărcare între redresor şi invertor este oarecum limitată
deoarece acest circuit pentru anumite aplicaţii şi în special la puteri mari au
o instabilitate mare. Problema este în principal ajustarea/optimizarea
respectiv reglarea amplitudinii căii de curent continuu la parametrii de acord
ai sarcinii şi de anumite determinări ale tipurilor de comutaţie.
Alegerea reacţanţelor de ieşire şi filtre du/dt
Foarte important pentru protecţia motorului şi la dimensionarea
unităţiilor din invertoare este şi alegerea şi dimensionarea reactanţelor.
Unităţile invertoare alimentează cu o tensiune cu amplitudinea
tensiunii din circuitul intermediar. Considerând că se folosesc frecvenţe
ridicate şi dispozitive semiconductoare de tip IGBT, atunci tensiunea va
creşte până la valori de aproximativ 10KV/ şi determină solicitări mari
atât ale izolaţiei motorului cât şi a compatibilităţii conversiei.
Această solicitare este mai evidentă când distanţa dintre unităţile
invertoare şi maşinile electrice este considerabilă şi cablurile de alimentare
sunt implicit de lungime mare şi secţiuni reduse.
Cablurile de lungime mare reprezintă sarcini capacitive ridicate şi vor
conduce la înrăutăţirea comutaţiei şi prin urmare este necesară o mărire a
invertorului. De asemenea cablurile măresc şi stochează energia prin efect
“Corona” ce poate fi foarte dăunător pentru instalaţia motorului şi a
determinat ca noi să luăm măsuri pentru introducerea filtrelor du/dt conform
cu figura 3.
Lungimea cablurilor de 20 m poate genera un vârf de tensiune
semnificativă pentru terminalele motorului, ceea ce va determina un
fenomen de reflexie a tensiunii cu aproximativ 65% mai mare decât valoarea
tensiunii din circuitul intermediar. La lungimi de peste 50 m, tensiunea
maximă creşte lent funcţie de lungimea cablului şi se apropie uşor de
maximul teoretic, adică de dublul tensiunii din circuitul intermediar adică cu
2 Ud.
Pe măsură ce lungimile de cablu cresc, reflexia undei de tensiune
generate dintre motor şi unitatea de comandă determină o perioadă de
tranziţie mai lungă până când la bornele motorului va ajunge o tensiune
egală cu cea a circuitului intermediar de curent continuu. Toţi producătorii
de motoare şi-au luat măsuri pentru a prevenii efectele datorită tranziţiei
Corona care are o creştere exponenţială şi este funcţie de lungimea cablului
de alimentare cu consencinţe semnificative de producere a străpungerii
dielectricului izolaţiei motorului (figura 4).
Motoarele de curent alternativ alimentate cu invertoare au fost
analizate avându-se în vedere, şi de izolaţia care trebuie să fie capabilă de a
suporta şocurile cauzate de comenziile IGBT şi lungimile de cablu de până
la 300m, fără utilizarea filtrelor du/dt.
Dacă reactanţele de ieşire sunt proiectate în conformitate cu lungimile
de cablu, invertoarele pot funcţiona corect fără alte recomandări.
Reactanţele de ieşire compensează sarcina capacitivă existentă în
reţeaua de alimentare şi limitează curentul de ieşire capacitiv existent,
reducând supratensiunile ajutând astfel indirect motorul. Frecvenţa mare de
comutaţie a comenzilor IGBT în afara avantajelor pe care le oferă prezintă şi
dezavantaje.
Tensiunea de ieşire în formă de blocuri de impulsuri generează o
frecvenţă înaltă şi curentul este sub formă de impulsuri, care în situaţii, când
există capacităţi ridicate va determina ca acestea să se scurgă la masă între
cablu, motor şi centura de împământare.
Prin urmare circuitul de întrerupere şi căderile de tensiune pot
interfera şi cu semnalele de comandă din blocurile de semnale mici. Cea mai
eficientă metodă de a evita această interferenţă se poate realiza separând
semnalele de coadă şi semnalele produse de capacităţile suplimentare din
cablu. Pentru aceasta este nevoie ca în dulapurile de comandă să se respecte
un minim de distanţă de 20 cm între blocurile de comandă şi de putere şi 60
cm între blocurile de forţă.
Îmbunătăţirea E.M.C.
Pentru reducerea radiaţiilor emise de generatorul de înaltă frecvenţă
necesară comutaţiei cât şi pentru reducerea variaţiilor mari ale momentului,
trebuie analizată logica circuitelor de comandă pentru a nu se suprapune cu
frecvenţele generate de capacităţile suplimentare din cabluri sau datorate
scurgerilor prin fundaţii, şanţurile de cabluri sau canalelor compartimentate.
Din acest punct de vedere se recomandă un cablu de alimentare
ecranat. Aceste tipuri de cabluri vor servi scopurilor propuse numai dacă
ecranele sunt legate la pământ prin legături ferme şi cabluri de secţiuni
corespunzătoare. Dacă cablul este discontinu atunci trebuiesc urmate regulile
corespunzătoare pentru E.M.C.
Dacă se optează pentru utilizarea cablurilor de alimentare adecvate,
este important de reţinut că atât motorul cât şi invertorul necesită necesită
protecţii la capacităţile supimentare pe care le au aceste cabluri ecranate.
Pentru faptul că existenţa unei capacităţi mari trebuie compensată,
atunci se utilzează reactanţe de ieşire de valori mai mari pentru fiecare
sarcină aimentată prin cabluri ecranate. Prin aceasta dimensionare a reţelelor
de alimentare pentru un redresor de putere mare care alimentează mai multe
invertoare trebuie să se realizeze într-un spaţiu mărit şi prin aceasta
capacitatea suplimentară va mări deasemenea distanţa electrică dintre motor
şi blocul de comandă cu aproximativ 50% şi va determina perioade mai mari
de regim tranzitoriu la bornele motorului până la stabilizarea
supratensiunilor. În această situaţie motorul va fi solicitat la fiecare
comutaţie de 600 ori/secundă în fiecare fază şi potenţialul de la bornele
filtrelor va creşte.
EFICIENŢA ECONOMICĂ A SISTEMELOR DE
COMANDĂ
Proiectarea detaliată poate aduce beneficii pentru instalaţiile din
metalurgie în situaţile când tensiunile sunt filtrate începând cu cele din
circuitul intermediar de curent continuu şi sfârşind cu cele de la terminalele
motorului. Redresorul F.E. asigură teoretic o conducere perfectă a
alimentării liniei de curent continuu, mai ales atunci când avem o linie de
alimentare a convertizoarelor de calitate slabă sau de putere redusă.
Distorsiunea armonică este menţinută în limitele admisibile pentru
faptul că se folosesc invertoare în cascadă cu 12 impulsuri printr-o
configuraţie convenabilă a înfăşurărilor secundare ale transformatoarelor.
Economiile care s-au făcut în societatea noastră până în prezent cât şi
cele ce urmează au fost datorate corelării strânse dintre motor şi invertor
după ajustarea performanţelor motorului în gama specifică de aplicare.
Pentru evitarea folosirii cablurilor ecranate care sunt foarte scumpe s-
a recurs la folosirea surselor fără zgomot şi amplasarea lor la o anumită
distanţă, mărind nivelul de imunitate al echipamentului sensibil. Cablurile
ecranate reprezintă alternative viabile pentru proiectul de modernizare şi
actualizarea secţiunilor la care măsurile de reducere a zgomotului sunt
limitate.
Pentru unele aplicaţii trebuie acordată atenţie sporită cerinţelor de
capacitate suplimentară, mai ales acolo unde comutaţia este ajustată cu
tensiunea provenită de la sarcina în care se iau în considerare atât
capacităţile cablului cât şi capacităţile legate între fazele motorului şi nulul
reţelei pentru conexiunea stea.
Anexa 1
APLICAŢIE CU CONVERTIZOR DE FRECVENTĂ LA
INSTALAŢIA DE EPURARE GAZE ARSE LA UN CUPTOR
ELECTRIC 100T DE LA S.C. COS SA TARGOVIŞTE
CONVERTIZORUL UTILIZEAZĂ SEMICONDUCTOARE TIP
GTO PENTRU A OBŢINE UN CONTROL SUPERIOR AL VITEZEI
MOTOARELOR COMANDATE.
CONVERTIZORUL DE MEDIE TENSIUNE INCLUDE TOATE
COMPONENTELE NECESARE PENTRU A FORMA UN SISTEM
COMPLET. ÎN PRINCIPAL, CONVERTIZORUL SE COMPUNE DIN
URMĂTOARELE SUBANSAMBLE:
- STARTER DE INTRARE
- TRANSFORMATOR DE SEPARARE
- CONVERTIZOR DE TURAŢIE
STARTERUL DE INTRARE ASIGURĂ PROTECŢIA
CONVERTIZORULUI ŞI DE ASEMENEA
SERVEŞTE CA MIJLOC DE SEPARARE. STARTERUL CONŢINE ÎN
PRINCIPAL UN SEPARATOR DE IZOLARE, UN CONTACTOR ÎN VID
ŞI SIGURANŢE ULTRARAPIDE. SEPARATORUL SE POATE
ACŢIONA CU O MANETĂ AMPLASATĂ PE UŞA DULAPULUI ŞI
INTERBLOCATĂ CU UŞA ŞI CONTACTORUL PRINCIPAL ÎN VID.
TRANSFORMATORUL DE IZOLARE ARE ROLUL DE A
ASIGURA IZOLAREA ŞI ADAPTAREA DE IMPENDANŢĂ CU LINIA.
TRANSFORMATORUL DE IZOLARE ESTE PROPUS ÎN DOUĂ
VARIANTE, FUNCŢIE DE TIPUL REDRESORULUI DIN
CONVERTIZOR, RESPECTIV PENTRU 6 PULSURI (VARIANTA 1) ŞI
18 PULSURI (VARIANTA 2).
TRANSFORMATORUL DE IZOLARE CU 6 PULSURI ARE O
SINGURĂ ÎNFĂŞURARE SECUNDARĂ DE 6KV, IAR
TRANSFORMATORUL CU 18 PULSURI ARE 3 ÎNFĂŞURĂRI
SECUNDARE, DE 2KV FIECARE, UNUL DE TIP “DELTA”, UNUL DE
TIP “DELTA-200” SI UNUL DE TIP “DELTA+200”.
CONVERTIZORUL SE COMPUNE ÎN PRINCIPAL DIN:
- MODUL REDRESOR
- BUS DE CURENT CONTINUU
- SECŢIUNEA DE CONTROL
- INTERFAŢĂ OPERATOR
- modulul invertor
Redresorul converteşte tensiunea de curent alternativ într-o tensiune
de curent continuu. Caracteristicile redresorului sunt date în principal de
către caracteristicile punţii. Puntea este proiectată pentru operare în 4
cadrane în vederea asigurării unei frânării regenerative complete. În cele
două variante sunt propuse o punte cu 6 pulsuri (varianta 1) şi respectiv o
punte cu 18 pulsuri (varianta 2). Fiecare punte redresoare are o protecţie cu
MOV contra vârfurilor de tensiune de mod comun.
Bus-ul de curent continuu este reprezentat de barele negative şi
pozitive ale redresorului. Pe acest bus sunt instalate două inductanţe mari cu
rolul de a netezi tensiunea de curent continuu furnizată invertorului.
Secţiune de control este localizată în compartimentul de joasă
tensiune şi conţine toate componentele hardware şi software necesare pentru
a asigura funcţionabilitatea convertizorului, precum şi opţiunile specifice
clientului.
Principalele componente ale acestei secţiuni sunt:
- cartele regulator de control (redresor şi invertor)
- surse de alimentare
- cartele de control aprindere dispozitive semiconductoare de putere cu transmisie pe fibră optică
- cartela de comunicaţie
- terminal de programare complet, montat pe uşă, cu afişaje, tabele
de parametrii, diagnoză şi grafice
- cartele de intrare/ieşire
- cleme
Firmware-ul din cartelele de control asigură realizarea funcţiunilor
convertizorului. Principalele caracteristici sunt:
control vectorial fără senzor pentru controlul precis al vitezei si cuplului
control automat cu autoacordare
control tip PWM-CSI pentru comanda motorului
Interfaţa operator este amplasată pe uşa compartimentului de control
al convertizorului. Asigură următoarele funcţii:
- modifică informaţia asociată cu setarea iniţială a convertizorului
- vizualizează variabilele din convertizor, parametri convertizorului şi starea
convertizorului
- vizualizarea şi resetarea condiţiilor de alarmă
- diagnoza şi grafice (pe anumite condiţii)
Modul invertor constă din dispozitive semiconductoare de putere de
tip GTO (Gate turn-off thyristors) care convertesc tensiunea de curent
continuu de pe bus-ul de curent continuu în tensiune alternativă pentru
comanda motorului. Pe ieşirea convertizorului sunt conectate condensatoare
de filtrare pentru netezirea semnalului către motor.
Controlul PWM-CSI al motorului asigură:
- forma de undă sinusoidală pentru tensiunea şi curentul prin motor,
eliminîndu-se astfel orice stres în motor
- control fin al vitezei inclusiv la viteze mici
- eliminarea selectivă a armonicilor
Schemele de principiu ale unui convertizor, în cele două variante sunt
prezentate în figurile de mai jos:
Diferenţa fundamentală dintre cele două variante, varianta 1
cu redresor cu 6 pulsuri şi varianta 2 cu redresor cu 18 pulsuri,
sunt armonicile generate de cele două convertizoare. Astfel după
cum se poate observa din tabelul de mai jos, armonicile generate de
un convertizor cu redresor cu 18 pulsuri sunt mult mai mici decât
cele generate de convertizorul cu redresor cu 6 pulsuri.
PULSURI
REDRESOR
ARMONICĂ
5 7 11 13 17 19 23 25
6 21.0 11.0 7.5 6.0 3.5 2.5 2.0 1.5
12 2.0 1.0 7.0 6.0 0.5 0.3 2.0 1.5
18 2.0 1.0 0.7 0.6 3.5 2.7 0.2 0.2
24 2.6 1.6 0.7 0.4 0.2 0.1 0.9 0.8
30 2.6 1.6 0.7 0.4 0.2 0.1 0.9 0.8
Caracteristici standard - startere de intrare
- contactor principal în vid
- separator de izolare tripolar, cu maneta exterioară de acţionare şi
interblocare cu uşa şi contactorul principal
- siguranţe ultrarapide (3 buc.)
- transformatoare de curent (3 buc.)
- panou de control în joasă tensiune, echipat cu:
- relee de control
- circuit de control al siguranţelor
- circuit economizor în curent continuu
- circuit “NORMAL-OFF-TEST”
- conector pentru sursa de test externă
- cleme pentru circuitele de control
CARACTERISTICI STANDARD - TRANSFORMATOR DE
IZOLARE
TRANSFORMATOR DE IZOLARE PENTRU CONVERTIZOR
CU 6 IMPULSURI
- tip uscat, uz extern
- clasa de izolare 220oC, creşte 150oC, clasa de răcire AA
- un comutator termic cu autoreset normal închis pe bobină, legat în serie
la şirul de terminale
- nivel impuls de bază 30kV (BIL)
- înfăşurarea primară tip “Delta” cu 4 ploturi, 2,5% între ploturi, 1 FCAN,
3 FCBN
- înfăşurare secundară tip “Stea”
- ambele înfăşurări în cupru
- ecran de împământare electrostatic între primar şi secundar
- proiectat să suporte căldura generată ca urmare a armonicilor produse de
redresorul din convertizor
- impedanţa 6-8%
- izolare completă între fază şi pământ, precum şi între neutru şi pământ.
proiectat şi construit conform standardelor ANSI.
Transformator de izolare pentru convertizor cu 18 impulsuri
- tip uscat, uz intern
- clasa de izolare 220oC, creşte 150oC clasa de răcire AA
- un comutator termic cu autoreset normal închis pe bobină, legate în serie
la şirul de terminale
- nivel impuls de bază 30kV (BIL)
- înfăşurarea primară tip “Delta” cu 4 ploturi, 2,5% între ploturi, 1 FCAN,
3 FCBN
- trei înfăşurări secundare: unul de tip “Delta” şi două de tipul “Delta”
extins la “Delta”-20o şi “Delta”+20o
- toate înfăşurările în cupru
- ecran de împământare electrostatic între primar şi secundar
- proiectarea să suporte căldura generată ca urmare a armonicilor produse
de redresorul din convertizor
- impedanţa 6-8%
- izolare completă între fază şi pământ, precum şi între neutru şi pământ
- izolare completă între înfăşurările secundare.
CARACTERISTICILE STANDARD - CONVERTIZOR DE
MEDIE TENSIUNE
Convertizor cu 6 impulsuri
- redresor cu 6 pulsuri
- bobina cu miez de fier pe bus de curent continuu inclusă în convertizor
- interfaţa operator tip PanelView 550, de fabricaţie Allen-Bradley,
montată pe uşa compartimentului de joasă tensiune
- afişarea digitală a curenţilor, tensiunilor, vitezei şi sarcinii pe PanelView
550
- compatibilitate cu arhitectura de comutaţie Allen-Bradley
- protecţie cu MOV contra suprasarcinilor pe intrarea redresorului
- izolare cu fibră optică pentru aprinderea dispozitivelor de putere din
redresor şi invertor
- tehnologie de control digital
- vector control fără reacţie cu tahogenerator
- înregistrare parametrii
- patru segmente independente pentru rampele de accelerare şi încetinire,
1-3600 sec. total
- patru viteze de ocolire ajustabile software cu lăţime de bandă comună
ajustabilă până la opt intrări configurabile pentru alarme şi erori
- profilul fluxului ajustabil prin software
- diagnostic on-line
- trei moduri de test
- controlul formei de undă de ieşire de tip PWM-CSI pentru eliminarea
selectivă a armonicilor
- protecţia electronică la suprasarcină a convertizorului
- protecţie electronică la suprasarcină a motorului
- start “din zbor”
- frânare regenerativă a motorului
- putere nominală 630 kW
- tensiunea de intrare +/-10% din tensiunea de
linie
- frecvenţa de intrare +/-3% -50/60 Hz
- tensiunea de ieşire 0-6900 V
- frecvenţa de ieşire 0-75 Hz
- forma de undă de ieşire Sinusoidă curent şi
tensiune
- randament >98.5% la viteză şi sarcină
nominală
- caracteristici de cuplu (versiunea fără reacţie cu tahometru)
* cuplu de pornire 90%
* cuplu de accelerare 90% (0-8 Hz)
* cuplu de operare continuu 125% (9-75 Hz)
* limita de cuplu 150%
- suprasarcina admisă pentru aplicaţii de tip
cuplu variabil (pompe, ventilator)
110% pentru 1 minut o
dată pe oră
- dulap NEMA tip I/IP 21
- temperatura ambiantă 0-40oC
- umiditatea relativă 95% (max.), fără
condensare
Convertizor cu 18 impulsuri
- redresor cu 18 pulsuri
- bobina cu miez de fier pe bus de curent continu inclusă în convertizor
- interfaţa operator tip PanelView 550, de fabricaţie Allen-Bradley,
montată pe uşa compartimentului de joasă tensiune
- afişarea digitală a curenţilor, tensiunilor, vitezei şi sarcinii pe PanelView
550
- compatibilitatea cu arhitectura de comunicaţie Allen-Bradley
- protecţia cu MOV contra suprasarcinilor pe intrarea redresorului
- izolarea cu fibră optică pentru aprinderea dispozitivelor de putere din
redresor şi invertor
- tehnologie de control digital
- vector control fără reacţie cu tahogenerator
- înregistrare parametrii
- patru segmente independente pentru rampele de accelerare şi încetinire,
1-3600 sec. total
- patru viteze de ocolire ajustabile software cu lăţime de bandă comună
ajustabilă până la opt intrări configurabile pentru alarme şi erori
- profilul fluxului ajustabil prin software
- diagnostic on-line
- trei moduri de test
- controlul formei undei de ieşire de tip PWM-CSI pentru eliminarea
selectivă a arminicilor
- protecţia electronică la suprasarcină a convertizorului
- protecţie electronică la suprasarcină a motorului
- start “din zbor”
- frânare regenerativă a motorului
- putere nominală 630 kW
- tensiunea de intrare +/-10% din tensiunea de
linie
- frecvenţa de intrare +/-3% -50/60 Hz
- tensiunea de ieşire 0-6900 V
- frecvenţa de ieşire 0-75 Hz
- forma de undă de ieşire Sinusoidă curent şi
tensiune
- randament >98.5% la viteză şi sarcină
nominală
- caracteristici de cuplu (versiunea fără reacţie cu tahometru)
* cuplu de pornire 90%
* cuplu de accelerare 90% (0-8 Hz)
* cuplu de operare continuu 125% (9-75 Hz)
* limita de cuplu 150%
- suprasarcina admisă pentru aplicaţii de tip
cuplu variabil (pompe, ventilator)
110% pentru 1 minut o
dată pe oră
- dulap NEMA tip I/IP 21
- temperatura ambiantă 0-40oC
- umiditatea relativă 95% (max.), fără
condensare
AVANTAJELE UTILIZĂRII CONVERTIZORULUI DE
FRECVENŢĂ
Forma de undă a tensiunii şi curentului
Datorită utilizării principiului PWM-CSI, tensiunea şi curentul prin
motor sunt sinusoidale, la toate vitezele şi toate sarcinile. Prin aceasta se
asigură:
- micşorarea vitezelor de variatie a di/dt sau du/dt pentru motoarele
standard;
- nici o reducere a performanţelor motorului faţă de funcţionarea conectat
la linie;
- nu există nici o pulsaţie de cuplu a motorului;
- nu există vibraţii ale motorului la turaţii mici;
- nu există limitări în ceea ce priveşte lungimea cablurilor de legătură între
motor şi convertizor
Economia de energie
Tradiţional, pentru reglarea debitului unui fluid (aer, gaz, etc.) se utilizează
un ventilator şi o clapetă de reglare. Clapeta de reglare poate fi amplasată pe
admisia ventilatorului sau pe evacuare. Ventilatorul funcţionează indiferent
de valoarea debitului, la puterea nominală, iar clapeta micşorează secţiunea
conductei pentru obţinerea debitului necesar.
Prin utilizarea unui convertizor de turaţie pentru comanda
ventilatorului, se elimină necesitatea utilizării clapetei pentru reglarea
debitului de fluid. Motorul ventilatorului va consuma numai fracţiuni din
puterea nominală, proporţionale cu debitul necesar. Funcţie de caracteristica
de exploatare se pot obţine economii deosebite de energie. Prezentăm mai
jos o comparaţie privind economia de energie ce se poate obţine, între
soluţia clasică cu clapeta pe evacuare şi soluţia cu convertizor de turaţie pe
motorul ventilatorului, pentru o curbă de exploatare corespunzătoare unei
şarje cu durata de trei ore.
Compararea costurilor de exploatare pentru ventilatoarele cu turaţie
constantă şi ventilatoarele cu turaţie variabilă
Clapetă de evacuare Racord de evacuare Regim de
curent
alternativ
Presiunea
sistemului
Debitul
maxim
Presiunea
statică
Randamentul
ventilatorului
Randamentul
motorului
Randamen-
tul
Cost/
kwhrs
Ore
anuale
regimului
[Bari] [GPM] % % % % Cenţi H
0,07 3,000 10 70 94 99 4,5 6,200
Calcularea maximului puterii
nominale a motorului [kW]
550 Presiune maximă [%] 120
Selectarea puterii nominale a
motorului [kW]
550
Totalul debitului de funcţionare
[m3]
769,482,000 Totalul orelor de funcţionare [ore] 6,200
Selectarea
secţiunii:
# 1 # 2 # 3 # 4
Selectarea debitelor:
[CMM]
3,000 2,550 1,200 600
% 100 85 40 20
Selectarea orelor de
funcţionare:
310 4,154 434 1,302
[%] 5 67 7 21
Total kilowatt ore Costul annual al operaţiei
pentru secţiunile date
[USD]
Totalul
randamentului
de funcţionare
Clapetă de evacuare 2,873,205 129,294 0,49
Racord de evacuare 2,239,570 100,781 0,49
Regim de curent
alternativ
1,684,553 75,805 0,7
După cum se poate observa, pentru curba de exploatare selectată,
utilizând un convertizor de curent alternativ pentru reglarea turaţiei
ventilatorului, în locul utilizării clapetei de reglare, de-a lungul unui an,
economia de energie ce se poate obţine este de 41,37%.
Integrarea într-un sistem de automatizare
Convertizorul se poate integra într-un sistem de automatizare prin conectarea
cu un automat programabil.
Conectarea se poate realiza prin intermediul intrărilor/ieşirilor discrete
(start, stop, status, fault, etc.) şi analogic (referinţă de viteză, viteză realizată,
curentul absorbit de motor, etc).
Conectarea se mai poate realiza şi prin intermediul unor module de
comunicaţie pe diverse reţele Allen-Bradley cum ar fi DH485, DH+,
DeviceNet sau ControlNet.
Prin conectarea cu un automat programabil se pot realiza diverse
funcţii de comandă şi reglare, ca de exemplu:
- reglarea presiunii sau a debitului de aer (conectarea unui traductor de
presiune sau debit la automatul programabil, executarea unui algoritm tip
PID şi transmiterea mărimii de comandă ca referinţă de viteză la
convertizor);
- prescrierea programului de exploatare a convertizorului (utilizând ceasul
de timp real din automatul programabil, se poate programa programul de
lucru pe diverse intervale de timp).
Anexa 2
ANALIZA PROCEDEELOR DE REGLARE ECONOMICĂ
A VITEZEI MOTOARELOR ASINCRONE PENTRU
ACŢIONAREA POMPELOR DE APĂ
În cadrul C.O.S. Târgovişte se produc oţelurile speciale şi înaltaliajele
folosind ca materii prime fierul şi adausurile de feroaliaje. Pentru deservirea
secţiilor de producţie privind alimentarea cu apă industrială şi potabilă,
evacuarea apelor potenţial curate în emisar (râul Ialomiţa) şi ape menajere în
canalizare s-a prevăzut o secţie hidroenergetică compusă din :
- conducte de aducţiune ;
- instalaţii de pompare a apei tratate;
- gospodăriile de purificare şi recirculare a apei de alimentare;
- instalaţii de recirculare a apelor menajere, fluviare şi industriale;
- puţuri de apă potabilă.
Alimentarea cu apĂ industrialĂ
Sursa–râul Ialomiţa prin intermediul barajului de derivaţie de la
Centrala Termoelectrică Doiceşti, a canalului de fugă şi a camerei de
încărcare.
Alimentarea cu apă brută din râul Ialomiţa a staţiei de tratare C.O.S.
Târgovişte se face prin două conducte Dn 800 mm de lungime L=12,7 km
dotate cu cinci bretele, vane de secţionare, vane de golire şi vane de aerisire.
Volumul de apă autorizat:
- zilnic =103.000 m3/zi;
- q mediu=1200 l/s;
- anual necesar=18.000.000 m3 cu o medie de 570 l/s;
Gospodăriile cu apă din cadru C.O.S. Târgovişte alimentează cu apă
proaspătă de adaus unităţile din platforma Târgovişte–Sud, după cum
urmează:
- S.C. Oţel Inox S.A. - q mediu = 20 l/s;
- U.E. Doiceşti - q mediu = 20 l/s;
- S.C. Romlux S.A. – q mediu = 16 l/s;
- Uzina 4 Dragomireşti – q mediu = 6 l/s;
- R.A.G.C. Dâmboviţa – q mediu = 125 l/s;
- Sere Târgovişte – q mediu = 3 l/s;
Total terţi = 190 l/s.
C.O.S. foloseşte un q mediu = 380 l/s pentru împrospătarea apei
indrustiale din gospodăriile de recirculare aferente consumatorilor din secţii
după cum urmează:
Grad de recirculare
- Gospodăria de apă nr.1 = 100 l/s 96 %
- Gospodăria de apă L.P.M.U.-L.P.Mici = 70 l/s 96,8 %
- Gospodăria de apă L.D.S. = 70 l/s 97,3 %
- Gospodăria de apă a Fabricii de Hidrogen
şi Oxigen – 40 l/s 95 %
- Gospodăria de apă a Turnării Continue 95 %
Modul de folosire a gospodĂriilor de apĂ
Necesar total de apă (m3/an maxim) = 348.850.000
(m3/zi) = 93.383
(m3/an medie) = 284.850.000
(m3/zi) = 77.800
Cerinţa totală de apă (m3/an maxim) = 360.000.000
(m3/zi) = 90.630
(m3/an medie) = 300.000.000
(m3/ zi) = 82.191.
Situaţia capacităţi şi funcţionării utilajelor de pompare cu care se
asigură producţia fizică a secţiei Hidroenergetică şi a maşinilor de cojit este
ilustrată în tabelul 1.
Pentru economisirea energiei electrice cât şi pentru reducerea timpilor
de defect la utilajele de pompare propunem reglarea debitelor de apă prin
reglarea vitezei motoarelor asincrone prin metode moderne tiristorizate cu
ajutorul convectizoarelor statice de frecvenţă în mai multe variante.