energoelektroniczne URZADZENIA, ksiażki i materiały elektryczne
[ Pobierz całość w formacie PDF ]
UrzÄ…dzenia energoelektroniczne
UrzÄ…dzenia energoelektroniczne
(aktualizacja 10.02.2009 r.)
Spis treści:
Rodzaje i zastosowanie
Budowa, elementy składowe i charakterystyki
Zabezpieczenia
Wpływ urządzeń na sieć zasilającą
Ochrona przeciwporaÅœeniowa
Zasady eksploatacji
1. Rodzaje i zastosowania urządzeń energoelektronicznych
UrzÄ…dzenia energoelektroniczne
słuŜą do przekształcania energii elektrycznej i sterowania jej przepływem. Charakteryzują się
wysoką sprawnością energetyczną oraz moŜliwością niemal dowolnego kształtowania postaci energii elektrycznej dla potrzeb róŜnego
rodzaju odbiorników.
Zakres zastosowania urządzeń i elementów energoelektronicznych jest bardzo szeroki i ulega ciągłemu rozszerzaniu. Obejmuje
praktycznie większość dziedzin elektroniki i elektroniki w przemyśle, gospodarce komunalnej oraz w urządzeniach elektrycznych
powszechnego uŜytku. Przemiany energii elektrycznej realizowane przez urządzenia energoelektroniczne są róŜnorodne i dotyczą
przekształtników o mocy od kilkudziesięciu watów do dziesiątków, a nawet setek megawatów. Szacuje się, Ŝe na dzień dzisiejszy w
kraju ok. 20÷30% energii jest przetwarzanej za pośrednictwem róŜnego rodzaju przekształtników.
W ogólnym przypadku przekształtnik energoelektroniczny moŜna określić jako układ przekazujący energię elektryczną między dwoma
obwodami, w których moŜe występować róŜna częstotliwość oraz róŜne poziomy napięć i prądów.
Jednym z podstawowych kryteriów podziału układów przekształtnikowych jest rodzaj przetwarzania energii elektrycznej. Kierując się
tym kryterium, moŜna wyróŜnić następujące grupy przekształtników energoelektronicznych:
a) prostowniki – słuŜące do przekształcania energii prądu przemiennego w energię prądu stałego,
b) falowniki – umoŜliwiające przekształcenia energii prądu stałego w energię prądu przemiennego,
c) przekształtniki energii prądu stałego – realizujące bezpośrednie lub pośrednie (za pośrednictwem obwodu prądu
przemiennego) przetwarzanie energii prądu stałego w energię prądu stałego o róŜnej wartości napięcia i prądu,
d) przemienniki częstotliwości:
— bezpośrednie – umoŜliwiające przemiennoprądowe przekształcanie energii prądu przemiennego w energię prądu
przemiennego o róŜnych wartościach napięć, prądów i częstotliwości,
— pośrednie – z pośredniczącymi obwodami napięcia lub prądu stałego, o moŜliwościach analogicznych jak dla
przemienników bezpośrednich.
Działanie układów przekształtnikowych jest związane z procesami załączania lub wyłączania półprzewodnikowych przyrządów
(elementów) mocy. Ze względu na to, Ŝe najszerzej stosowanym źródłem energii elektrycznej jest sieć elektroenergetyczna o napięciu
sinusoidalnym przemiennym największą grupę przekształtników stanowią przekształtniki sieciowe (przekształtniki prądu przemiennego).
Do grupy tej naleŜą:
— prostowniki,
— falowniki o komutacji sieciowej,
— sterowniki napięciowe częstotliwości,
— bezpośrednie przemienniki częstotliwości.
Jak podano wyŜej obszar zastosowań urządzeń energoelektronicznych jest bardzo szeroki. Jako najczęściej występujące dziedziny
zastosowań urządzeń energoelektronicznych moŜna wymienić:
— regulowane napędy z silnikami prądu stałego i przemiennego,
1 z 8
20090618 10:54
UrzÄ…dzenia energoelektroniczne
— zasilanie urządzeń elektrotermicznych (głównie jako statyczne przemienniki częstotliwości w nagrzewaniu
indukcyjnym),
— zasilanie urządzeń oświetlenia elektrycznego,
— kompensacja mocy biernej i ograniczanie wahań napięcia w sieciach,
— zasilanie urządzeń pokładowych samolotów za pomocą lokalnej sieci specjalizowanej 400 Hz,
— zasilanie urządzeń spawalniczych i galwanotechnicznych,
— zasilanie urządzeń trakcji elektrycznej (napędy i podstacje zasilające),
— układy rezerwowego (bezprzewodowego) zasilania prądu przemiennego 50 Hz stosowane głównie w sieciach
komputerowych, w telekomunikacji i w medycynie,
— stabilizowane źródła napięcia i prądu.
2. Budowa, elementy składowe i charakterystyka urządzeń energoelektronicznych
Urządzenie energoelektroniczne jest złoŜone z kilku zespołów funkcjonalnych, które pokazano w sposób uproszczony na rys. 1.
Rys. 1. Zespoły funkcjonalne urządzenia energoelektronicznego.
W skład układu energoelektronicznego wchodzi najczęściej trzy części:
a) przekształtnik umieszczony w szafie (obudowie) lub kilku szafach,
b) pulpit sterowania (w niektórych wykonaniach jest umieszczony na drzwiach szafy),
c) obiekt regulacji (silnik napędowy lub inny odbiornik energii).
NajwaŜniejszym elementem układu jest przekształtnik zbudowany z półprzewodnikowych elementów, zwanych łącznikami lub zaworami,
współpracujących z elementami magazynującymi energię tzn. dławikami i kondensatorami, a niekiedy takŜe z elementami
rozpraszajÄ…cymi energiÄ™ np. rezystorami.
Do przekształcenia energii w przekształtnikach są stosowane zawory niesterowane (diody), półsterowane (tyrystory klasyczne), w
których steruje się tylko ich włączaniem i w pełni sterowalne (tyrystory typu GTO lub tranzystory IGBT), pozwalające sterować ich
załączanie i wyłączanie.
W układzie energoelektronicznym jest szereg obwodów, które ze względu na jego funkcjonowanie są od siebie oddzielone podstawową
względnie podwójną izolacją. NaleŜą do nich następujące obwody:
a) obwody główne przekształtnika — oddzielone od sieci zasilającej przez transformator prostownikowy lub dławiki
(dławiki sieciowe nie powodują oddzielenia galwanicznego od sieci, jednak mają istotny wpływ na przebieg prądu
w przypadku doziemienia),
b) obwody sterowania załączaniem zaworów,
c) obwody regulacji,
d) obwody diagnostyki,
e) obwody pomiarowe,
f) obwody pomocnicze (sterowania przekaźnikowe i sterowania pracą wentylatorów).
Obwód a) jest obwodem energetycznym, silnoprądowym, natomiast pozostałe obwody b), c), d), e), i f) są zazwyczaj obwodami prądu
stałego niskiego napięcia.
Urządzenia energoelektryczne są urządzeniami o duŜym stopniu złoŜoności i róŜnorodności. Przykładowy typowy energoelektroniczny
2 z 8
20090618 10:54
UrzÄ…dzenia energoelektroniczne
układ napędowy duŜej mocy z silnikiem indukcyjnym prądu przemiennego pokazano na rys. 2.
Rys. 2.
Energoelektroniczny układ napędowy duŜej mocy z silnikiem prądu przemiennego:
a) schemat blokowy układu, b) schemat ideowy układu.
W niektórych przypadkach mogą one przekształcać energię wielokrotnie i być zlokalizowane w kilku obudowach. Ponadto kilka
układów energoelektronicznych moŜe ze sobą współpracować, np. napędzając wielolosilnikową maszynę papierniczą lub drukarską.
Urządzenia energoelektroniczne są odbiornikami powodującymi zakłócenia radioelektryczne, wymagają więc stosowania filtrów
umieszczanych bezpośrednio na wejściu do układu energoelektronicznego. Filtry do ograniczenia bądź eliminacji zakłóceń
radioelektrycznych nie są stosowane we wszystkich układach.
Układy energoelektroniczne charakteryzują się specyficznymi właściwościami, a zwłaszcza:
— duŜym prądem w przewodzie ochronnym PE (
I
> 10mA),
— prądem zwarcia, zaleŜnym od kąta wysterowania zaworów,
— składową stałą prądu zwarcia w przewodzie ochronnym,
— prądem upływowym w przewodzie ochronnym, o częstotliwości f = 50÷20000 Hz (w przypadku falowników).
Wymienione czynniki utrudniają dobór środków ochrony przeciwporaŜeniowej i przeciwpoŜarowej, zapewniającej bezpieczną pracę
obsługi i urządzenia. Przekształtniki są urządzeniami energoelektronicznymi, w których przy przekształceniach energii wydziela się
ciepło. Stąd istotny jest problem jego odprowadzenia, szczególnie w przekształtnikach duŜej mocy.
Półprzewodnikowe przyrządy mocy odznaczają się duŜą sprawnością energetyczną, lecz ich małe wymiary w porównaniu z
przenoszonymi mocami utrudniają odprowadzenie wydzielonego ciepła.
Straty mocy w elementach półprzewodnikowych (diodach, tranzystorach czy tyrystorach) powodują wzrost ich temperatury oraz
wywołują wzrost temperatury innych elementów urządzenia energoelektronicznego. Przekroczenie temperatury maksymalnej moŜe
spowodować cieplne uszkodzenie struktury elementu, a więc ma wpływ na jego niezawodność.
W celu odprowadzenia ciepła z elementów półprzewodnikowych instaluje się je na specjalnych radiatorach (zwykle aluminiowych)
chłodzonych powietrzem, wodą lub innym medium chłodzącym.
3. Zabezpieczenia przetęŜeniowe i ziemnozwarciowe
Producenci urządzeń energoelektronicznych powinni je wyposaŜyć w urządzenia zabezpieczające przed prądami przetęŜeniowymi i
prądami ziemnozwarciowymi (płynącymi do przewodu ochronnego). W przypadku rezygnacji ze stosowania tych urządzeń powinny być
podane ich podstawowe parametry. Jest to szczególnie istotne w przypadku przekształtników stanowiących części składowe układu
napędowego. Układy energoelektroniczne mogą mieć szereg zabezpieczeń elektronicznych, ograniczających przetęŜenia przy
doziemieniach. Wśród tych zabezpieczeń wyróŜnia się układy:
— ograniczenia prądu,
— kontroli prądu ziemnozwarciowego,
— kontroli zaniku napięcia w jednej fazie,
— wyłączania przekształtnika przy przetęŜeniu.
JeŜeli przekształtnik ma zabezpieczenie przęteŜeniowe i ziemnozwarciowe, to zabezpieczenia stosowane w rozdzielni zasilającej
powinny chronić głównie instalację przed skutkami termicznymi zwarć i przed poŜarem. Zabezpieczenia te powinny działać w kaŜdym
przypadku nie zadziałania zabezpieczeń znajdujących się w przekształtniku. JeŜeli producent układu energoelektronicznego nie
zastosuje zabezpieczeń przęteŜeniowych i ziemnozwarciowych, to rozdzielnię zasilającą naleŜy wyposaŜyć w zabezpieczenia słuŜące
ochronie zarówno linii zasilającej, jak i przekształtnika przed przetęŜeniami i prądami zwarć doziemnych (do masy). A zatem
3 z 8
20090618 10:54
UrzÄ…dzenia energoelektroniczne
zabezpieczenie zasilania układu energoelektronicznego powinno zawierać człon przetęŜeniowy i człon ziemnozwarciowy. JeŜeli na
wyjściu prostownika (w obwodzie źródła prądu stałego pośredniczącego) jest stosowany filtr kondensatorowy, to zabezpieczenie
nadprądowe musi wytrzymywać spodziewany prąd załączania jego baterii. W tym przypadku moŜe zaistnieć potrzeba zwiększenia
obciąŜalności prądowej zabezpieczenia nadprądowego.
W celu zabezpieczenia się przed doziemieniem w obwodzie układu energoelektronicznego najkorzystniej jest stosować wyłączniki
róŜnicowoprądowe typu B, które działają przy doziemieniu na prąd stały i przemienny o dowolnej częstotliwości. Wyłączniki te są jednak
bardzo drogie i czasami warto przeanalizować celowość zastosowania do ochrony przeciwzwarciowej wyłączników nadprądowych,
róŜnicowoprądowych typu A oraz wzmocnionego systemu połączeń ochronnych. NaleŜy jednak pamiętać, Ŝe w przypadku doziemienia
na wyjściu prostownika (w obwodzie prądu stałego) wyłączniki róŜnicowoprądowe typu A mogą nie zadziałać.
Dobór wyłączników róŜnicowoprądowych zaleŜy od prądu upływowego i pojemnościowego płynącego w przewodzie ochronnym PE.
Prąd ten zaleŜy głównie od: filtrów przewidzianych do eliminacji zakłóceń radioelektrycznych, pojemności i upływności tranzystorów
IGBT, pojemności ekranu przewodu łączącego silnik z przekształtnikiem (w przypadku układów napędowych oraz pojemności uzwojeń
silnika względem masy), a takŜe od asymetrii trójfazowego napięcia zasilającego.
W przypadku układów napędowych prąd wyzwalania wyłączników róŜnicowoprądowych powinien się zawierać w granicach 100÷300
mA. Wyłączniki te chronią instalację przed poŜarem przy doziemieniu.
4. Wpływ urządzeń energoelektronicznych na sieć zasilającą
Sterowane urządzenia energoelektroniczne szczególnie o duŜej mocy są układami nieliniowymi. Przyłączenie takiego odbiornika do
sieci zasilającej, zwłaszcza przy małym poziomie mocy zwarciowej tej sieci, powoduje szereg niekorzystnych zjawisk, do których
zaliczamy:
1) silne odkształcenia napięcia i prądu w sieci zasilającej poprzez wyŜsze harmoniczne,
2) wzrost poboru mocy biernej,
3) silną zaleŜność współczynnika mocy od kąta opóźnienia wysterowania prostownika α (im większy kąt α tym mniejszy współczynnik
cos
j
),
4) moŜliwość cieplnych przeciąŜeń torów prądowych i urządzeń, w tym kondensatorów.
W przypadku instalowania urządzeń energoelektronicznych zawierających prostowniki sterowane o dowolnej mocy naleŜy podejmować
działania ograniczające negatywny wpływ tych urządzeń na sieć zasilającą. Zwykle sprowadza się to do zastosowania filtrów wyŜszych
hamowniczych oraz urządzeń do nadąŜnej kompensacji mocy.
5. Ochrona przeciwporaÅœeniowa w urzÄ…dzeniach energoelektronicznych
KaŜde urządzenie energoelektroniczne moŜe mieć róŜne własności w zaleŜności od typu stosowanych zaworów (diody, tyrystory,
tranzystory), systemu sterowania, poziomu ograniczania prądu i sposobu przetwarzania. Urządzenie moŜe pracować w środowisku o
róŜnym poziomie zapylenia i wilgotności oraz moŜe być zasilane z sieci o róŜnej konfiguracji (TN, TT, IT) i o róŜnym poziomie mocy
zwarcia.
Ochrona przeciwporaŜeniowa układów energoelektronicznych wymaga indywidualnego doboru do nich środków ochrony z uwagi na
ich róŜną topologię, sposób działania i zasilanie. Prąd doziemienia wewnątrz przekształtnika zaleŜy nie tylko od rezystancji pętli
zwarcia, ale równieŜ od:
— reaktancji dławika sieciowego (lub transformatora prostownikowego),
— stopnia wysterowania zaworów,
— prądu ograniczenia przekształtnika,
— poziomu prędkości silnika (w przypadku układów napędowych prądu stałego),
— typu sieci zasilającej (TN, IT).
Układy energoelektroniczne są urządzeniami o duŜym prądzie w przewodzie ochronnym (upływowym), wynikającym ze stosowania
filtrów przeciwzakłóceniowych. Wymagają więc one specjalnych wyłączników róŜnicowoprądowych, dostosowanych do prądu
upływowego. W urządzeniach energoelektronicznych stosowana jest:
a) ochrona podstawowa (przed dotykiem bezpośrednim),
b) ochrona dodatkowa (przed dotykiem pośrednim),
c) ochrona równoczesna polegająca na obniŜeniu napięcia roboczego (głównie obwodów sterowania) do wartości
4 z 8
20090618 10:54
UrzÄ…dzenia energoelektroniczne
bezpiecznej.
Głównym elementem ochrony podstawowej
w urządzeniach energoelektronicznych jest zastosowanie odstępów izolacyjnych w
powietrzu i wzdłuŜ powierzchni osłoniętego wyposaŜenia, które powinny być dostosowane do stopnia zapylenia środowiska i do
poziomu przepięć przejściowych przychodzących z sieci.
Układy energoelektroniczne są budowane zwykle w II lub III klasie przepięciowej o izolacji dopasowanej do spodziewanych w sieci
przepięć (kształt 1,2/50 ms) i do środowiska wykazującego II stopień zabrudzenia (środowisko wolne od pyłów przewodzących).
Zastosowanie układu energoelektronicznego w innych warunkach moŜe powodować to, Ŝe odstępy izolacyjne wzdłuŜ powierzchni lub
w powietrzu będą niewłaściwie dobrane i warunki ochrony podstawowej nie będą spełnione. A zatem bezpieczna praca układu (z
bezpośrednią ochroną przeciwporaŜeniową) wymaga, aby poziom przepięć przychodzących z sieci zasilającej nie przekraczał
dopuszczalnej dla przekształtników wartości i aby warunki środowiskowe (zapylenie, wilgoć) nie były mniej korzystne, niŜ przewidział to
producent. Ochrona przed dotykiem bezpośrednim urządzenia energoelektronicznego polega na umieszczeniu go w szafie, której
stopień ochrony — ze względu na wydzielające się w urządzeniu ciepło — zwykle nie jest wyŜszy niŜ IP 2X. Szafa powinna być
zamykana na klucz lub wyposaŜona w wyłączniki drzwiowe, by w ten sposób obsługa była chroniona przed dotykiem bezpośrednim
części przewodzących: obwodu głównego, sterującego i pomocniczego. Otwarcie drzwi wyposaŜonych w odpowiednie wyłączniki
powinno powodować wyłączenie układu energoelektronicznego. Dostęp do pracującego układu po otwarciu drzwi moŜe mieć tylko
personel konserwujący układ, odpowiednio przeszkolony, przy czym sam układ musi być wyposaŜony w środki ochrony przed dotykiem
bezpośrednim. Elementy pod napięciem powinny być opisane, odizolowane i osłonięte. Napisy ostrzegawcze powinny być trwałe,
czytelne i zrozumiałe dla uŜytkownika.
Ochrona dodatkowa (przed dotykiem pośrednim)
polega na stosowaniu środków, które przy uszkodzeniu izolacji roboczej i
pojawieniu się napięcia na osłonach urządzeń powodują albo samoczynne i szybkie ich wyłączenie, albo obniŜenie występującego
napięcia dotykowego do wartości nie zagraŜającej poraŜeniem. Wyłączenie układu przekształtnikowego jest wymagane z trzech
powodów:
— ochrony człowieka przed moŜliwością poraŜenia,
— ochrony przekształtnika i instalacji przed moŜliwością wystąpienia poŜaru,
— moŜliwości uszkodzenia części składowych przekształtnika (zwłaszcza zaworów) i odbioru (silnika).
Ochrona człowieka przed poraŜeniem jest sprawą nadrzędną. Jednak koszt zaworów (tyrystorów lub tranzystorów) jest znaczny. W
związku z tym półprzewodnikowe przyrządy mocy wymagają równieŜ ochrony. W przypadku zwarć międzyprzewodowych a do masy
moŜna dobierać przeciąŜalność prądową tak, Ŝe nie ulegną one uszkodzeniu przy przepływie prądu zwarcia. Zwykle wymaga się
jednak, aby zwarcie zostało wyłączone w okresie kilkudziesięciu milisekund, co zwykle powodują bezpieczniki szybkie chroniące
zawory. Bezpieczniki szybkie naleŜy brać pod uwagę przy ochronie przeciwporaŜeniowej jako elementy zabezpieczające ludzi i
przekształtnik przed zwarciem.
W przypadku uszkodzenia izolacji podstawowej w elemencie przekształtnika, w przewodzie ochronnym PE obwodu głównego moŜe
płynąć prąd przemienny, stały lub zmienny o wartości zaleŜnej od miejsca doziemienia. Prąd doziemienia moŜe mieć róŜną wartość w
zaleŜności np. od kąta wysterowania prostownika. W związku z tym pojęcie pętli zwarcia w układach przekształtnikowych nie ma
zastosowania. Ochrona pośrednia obwodów głównych przekształtnika wymaga więc stosowania skojarzonego systemu róŜnych
środków obejmujących zarówno samą instalację, jak i pozostałe urządzenia. Środki te zaleŜą od rodzaju przekształtnika, jego mocy oraz
sposobu zasilania. W przypadku przekształtników umieszczonych w obudowach I klasy ochronności, do podstawowych środków
skojarzonego systemu naleŜą połączenia wyrównawcze między częściami składowymi układu energoelektronicznego i magistralą
uziemiającą. Istotnym środkiem ochrony przeciwporaŜeniowej są połączenia wyrównawcze, gwarantujące ekwipotencjalizację
stanowiska pracy, poniewaŜ układy energoelektroniczne mogą być wyłączane ze znacznym opóźnieniem. Oprócz tych połączeń
zastosowanie majÄ…:
— czujniki lub wyłączniki róŜnicowoprądowe działające na składową stałą i przemienną,
— blokada bramkowa,
— zabezpieczenie przetęŜeniowe przekształtnika, w tym szybkie bezpieczniki stosowane do ochrony zaworów,
— podzespoły elektroniczne do wyłączania układu w przypadku przepalenia się bezpiecznika,
— urządzenie do kontroli stanu izolacji w układach zasilanych z sieci typu IT.
Istotny element ochrony pośredniej stanowi szyna ochronna PE, instalowana wewnątrz obudowy przekształtnika, która powinna być
połączona przewodem ochronnym z zaciskiem ochronnym PE rozdzielni zasilającej. Z szyną tą powinny być połączone przewodami
wyrównawczymi, mocowanymi w sposób pewny, wszystkie części składowe układu i części przewodzące obce.
W odniesieniu do obwodów sterowania elektronicznego przekształtników, jeŜeli obwody te są odizolowane od zasilania obwodów
głównych i nie są uziemione, to producenci tych urządzeń stosują alternatywnie:
— transformatory o wzmocnionej izolacji (np. podwójnej) do zasilania obwodów regulacji i sterowania w sposób
5 z 8
20090618 10:54
[ Pobierz całość w formacie PDF ]