5.6. UKŁADY ZASILANIA Z PRZEKSZTAŁTNIKAMI
Wiele urządzeń elektrycznych - czerpiąc energię z sieci elektroenergetycznej prądu przemiennego - nie jest zasilanych z niej bezpośrednio, lecz poprzez przekształtniki. Dzięki temu można uzyskać:
- nieregulowane napięcie stałe (stabilizowane lub nie),
- nieregulowane, o stabilizowanej amplitudzie (albo wartości skutecznej) oraz częstotliwości, napięcie przemienne,
- regulowane napięcie stałe,
- regulowaną wartość skuteczną prądu przemiennego, przy niezmiennej częstotliwości, - regulowaną wartość skuteczną i częstotliwość prądu (napięcia) przemiennego.
Obecnie stosuje się prawie wyłącznie przekształtniki energoelektroniczne. Można je spotkać niemal na każdym kroku: w transporcie dalekim i bliskim, w przemyśle ciężkim i lekkim, w budownictwie, w rolnictwie, w przemyśle rolno-spożywczym, w gospodarstwach domowych. Wyparły, stosowane wcześniej, przekształtniki z zaworami rtęciowymi, przetwornice i złożone układy elektromaszynowe oraz wzmacniacze magnetyczne.
Stosowanie przekształtników energoelektronicznych przyczynia się do mniejszego zużycia energii elektrycznej, zwiększa możliwości regulacyjne układów, ułatwia eksploatację urządzeń. Przebiegi czasowe napięć i prądów uzyskiwanych w przekształtnikach energoelektronicznych nie są jednak idealne (prąd stały ma tętnienia, a przemienny znacznie odbiega kształtem od sinusoidy), co wpływa m.in. na zwiększenie strat mocy w materiałach ferromagnetycznych. Prądy pobierane z sieci elektroenergetycznej są również odkształcone, a moc bierna związana z harmoniczną podstawową prądu - powiększona, szczególnie przy nagłych zmianach wysterowania tyrystorów. Spadki napięcia, pochodzące od dodatkowych składników harmonicznych prądu płynącego w sieci, powodują odkształcenie napięcia zasilającego inne odbiory; stwarzają też niebezpieczeństwo rezonansu prądów w obwodach z pojemnościami.
Rys. 5.15. Schemat układu zasilania sieciowego odbiorów trakcyjnych prądu stałego:
l - układ zastępczy części SEE, 2 - transformator WN/SN, 3 - linia elektroenergetyczna zasilająca podstację trakcyjną, 4 - podstacja trakcyjna z zespołami prostownikowymi,
5 - sieć trakcyjna prądu stałego, 6 - odbiory trakcyjne
Przykładem urządzeń zasilanych zbiorowo energią elektryczną w przekształconej formie są odbiorniki pobierające energię z sieci trakcyjnej prądu stałego. Schemat układu pokazano
3000V_ (PKP) 750V_ (metro) 600V_ (tramwaj)
na rysunku 5.15. Jeśli silniki trakcyjne pracują tu w układzie klasycznym (rozruch oporowy), to można przyjąć, że składowa zmienna prądu w sieci trakcyjnej nie występuje. W prądach, które płyną w przewodach linii elektroenergetycznej zasilającej podstację (iR , iS , iT ), występują - oprócz składowej podstawowej - harmoniczne pochodzące od układu prostow- nika, o częstotliwościach
s
n n f
f( ) = , n=lm±1 , l = 1, 2, ... , (5.29) gdzie: fs - częstotliwość sieciowa,
m - pulsowość układu prostownikowego.
Rola przekształtników w trakcji elektrycznej nie kończy się jednak na zasilaniu sieci trakcyjnej, poprzez prostowniki, z sieci elektroenergetycznej. Na pojazdach montowane są tzw. trakcyjne napędy przekształtnikowe, w skład których wchodzą przekształtniki (z filtrami i dławikami) oraz silniki trakcyjne prądu stałego lub przemiennego. Odnosi się to zarówno do systemów trakcyjnych z siecią prądu stałego, jak i przemiennego.
Rys. 5.16. Różne systemy zasilania i sterowania silników trakcyjnych na kolejach elektrycznych:
a) sieć trakcyjna prądu stałego, b) sieć trakcyjna prądu przemiennego o częstotliwości przemysłowej 50 Hz, c) sieć trakcyjna prądu przemiennego o częstotliwości obniżonej 16 2/3 Hz;
SEE - system elektroenergetyczny, EK - elektrownia kolejowa (turbina - generator - transformator), C - zespół przemiennika częstotliwości, P - zespół prostownika niesterowanego, F - falownik,
K - przerywacz, inaczej: zespół kluczujący, chopper, PS - zespół prostownika sterowanego, TR - transformator regulacyjny, RR - rezystory rozruchowe, M - zespół silników trakcyjnych
W Europie można spotkać na kolejach następujące systemy zasilania i sterowania silników trakcyjnych (rys. 5.16):
al) sieć trakcyjna prądu stałego, silniki trakcyjne prądu stałego, rozruch oporowy (rezysto- rowy),
a2) sieć, silniki - jw., rozruch impulsowy,
a3) sieć - jw., silniki trakcyjne prądu przemiennego (indukcyjne),
bl) sieć trakcyjna prądu przemiennego o częstotliwości przemysłowej 50 Hz, silniki trakcyjne prądu stałego (na prąd tętniący),
b2) sieć - jw., silniki trakcyjne prądu przemiennego (indukcyjne),
cl) sieć trakcyjna prądu przemiennego o obniżonej częstotliwości 16 2/3 Hz - zasilana z SEE (l’-l, 0’-0) albo z elektrowni kolejowej (l”-1, 0”-0), silniki trakcyjne szeregowe (jedno- fazowe),
c2) sieć - jw., silniki trakcyjne prądu przemiennego (indukcyjne).
Przekształtniki instalowane na pojazdach (warianty: a2, a3, b1, b2, c2) powodują odkształ- cenia prądu w sieci trakcyjnej i prądów w sieci elektroenergetycznej.
Układ rozruchu impulsowego z chopperem, czyli przerywaczem stałoprądowym K (rys. 5.16a, wersja a2), wprowadza tętnienia prądu obciążenia prostownika z częstotli- wością fp . Na skutek nieliniowości obwodu, pojawiają się też składowe okresowe prądu o częstotliwościach będących podwielokrotnościami fp . W sieci trakcyjnej występują więc harmoniczne i podharmoniczne prądu o częstotliwościach
...
, 2 , 1 2, 1 3, 1 , ...
) ,
( =k f k =
f k p . (5.30) Z analizy harmonicznej przebiegów wynika, że w sieci elektroenergetycznej pojawią się dodatkowe harmoniczne prądu o częstotliwościach
, ...
, 2 , 1 , 1
, ...
, 2 , 1 2, 1 3, 1 , ...
) ,
, (
=
±
=
=
±
=
l m
l n
k f
n f k
f k n p s
(5.31)
czyli każda harmoniczna prądu id (t) rzędu k wytwarza widmo harmonicznych w sieci zasilającej o częstotliwości fs , którego prążki są położone symetrycznie po obu stronach punktu k fp , w odległości ± n fs (n = 1, 2, ... ), jak na rysunku 5.17.
Rys. 5.17. Harmoniczne prądu I(k, n) w sieci elektroenergetycznej o częstotliwości fs, pochodzące od harmonicznej prądu Id(k) o częstotliwości kfp w sieci trakcyjnej
Odkształcenia napięć sieciowych w układach z bezkomutatorowymi silnikami trakcyjnymi (indukcyjnymi lub synchronicznymi), czerpiącymi energię z sieci trakcyjnej prądu stałego za pośrednictwem falowników, mają podobny charakter jak przy zasilaniu impulsowym silników trakcyjnych prądu stałego. Silniki bezkomutatorowe są w eksploatacji trwalsze od powszechnie stosowanych w trakcji elektrycznej silników szeregowych prądu stałego oraz przemiennego, lecz współpracujące z nimi falowniki są dość kosztowne i trudne do wy- konania. Istotne znaczenie mają też: ciężar i koszt urządzeń filtrujących.
Wyrażenie (5.3) może służyć za miarę odkształcenia napięcia w sieci elektroenergetycznej zasilającej trakcję elektryczną jedynie w układach z prostownikiem niesterowanym (rys. 5.16, warianty: a1, b1 i c1’). W układach z dwu- lub trzykrotnym przekształcaniem napięcia (rys. 5.16, warianty: a2, a3, b2 i c2) liczba wyższych harmonicznych jest znacznie większa niż w układach z przekształcaniem jednokrotnym, którym odpowiada wyrażenie (5.3).
Zjawiska rezonansowe, powstające przypadkowo przy częstotliwościach odpowiadających składnikom widma prądu, mogą zwiększać odkształcenie napięcia w sieci elektroenerge- tycznej. Wyjaśniono to na rysunku 5.18, przedstawiającym dwa przypadki obciążeń w węźle sieci:
a) bez pojemności, kiedy
) ) ( 1 1( )
1(ν jν X I ν
U = ,
b) z pojemnością, kiedy
) (
) 1( ) ) ( 1 1( )
1( ) 1 1( )
1(
ν ν ν ν
ν ν ν
I I I X j I
X j
U = = ,
przy czym, gdy powstaje rezonans prądów, to I1(ν)>>I(ν).
Rys. 2.18. Schematy zastępcze sieci elektroenergetycznej dla wyższych harmonicznych prądu obciążenia, gdy w pobliskim węźle zasilającym: a) nie ma odbioru pojemnościowego,
b) jest odbiór pojemnościowy
Ponieważ wartości prądów pobieranych z sieci trakcyjnej są znaczne, sieć zaś z zasady jest rozległa, więc wartości napięcia w różnych jej punktach mogą zmieniać się w znacznym stopniu. Układy zasilające silniki trakcyjne na pojazdach muszą być zatem odporne również na tego rodzaju zmiany.
5.7. ZASILANIE REZERWOWE I AUTONOMICZNE UKŁADY ZASILANIA ENERGIĄ ELEKTRYCZNĄ
Urządzenia elektryczne - zainstalowane w środkach transportu o trakcji spalinowej (samochody, samoloty, statki napędzane silnikami spalinowymi), spalinowo-elektrycznej (lokomotywy i wagony silnikowe spalinowe), parowej (statki napędzane turbinami parowymi) lub akumulatorowej (wózki i pojazdy akumulatorowe) albo w przyczepach samochodowych i doczepnych wagonach pasażerskich - czerpią energię z własnych (pokładowych) źródeł. Wiele innych urządzeń, normalnie zasilanych z sieci elektro- energetycznych, ze względu na wymaganą ciągłość pracy musi mieć zapewnione zasilanie rezerwowe z miejscowego źródła energii, na wypadek awarii w sieci. W tych przypadkach, źródłami energii w długich okresach czasu są zazwyczaj maszyny elektryczne (prądnice), napędzane silnikami lub turbinami spalinowymi, ewentualnie cieplnymi, a w krótkich okresach - akumulatory (samochodowe, wagonowe, stacyjne). W układach zasilających znajdują się często regulatory napięcia lub przekształtniki energoelektroniczne, nazywane też przetwornicami półprzewodnikowymi.
Podstawowym źródłem energii elektrycznej w samochodzie jest prądnica, napędzana, ze zmieniającą się w czasie jazdy prędkością obrotową, przez silnik spalinowy pojazdu.
Z prądnicą współpracuje regulator napięcia, który stabilizuje wartość średnią napięcia wyjściowego przez wywoływanie skokowych, cyklicznie powtarzających się zmian rezystancji obwodu wzbudzenia prądnicy. W samochodach stosuje się prądnice prądu stałego lub przemiennego. Te ostatnie, z wmontowanym na stałe prostownikiem, popularnie nazywane są alternatorami. Alternatory, szczególnie przy większych mocach, mają lepsze wskaźniki eksploatacyjne od prądnic prądu stałego, co w głównej mierze jest wynikiem likwidacji komutatora i przyrządu szczotkowego ze szczotkami. Prądnica zasila odbiory i akumulator (rys. 5.19), który powinien pracować jako źródło energii tylko wówczas, gdy prądnica nie jest napędzana lub wytwarza zbyt niskie napięcie (przy małej prędkości obrotowej silnika pojazdu). Głównym zadaniem akumulatora w samochodzie jest zasilanie rozrusznika elektrycznego, który napędza wał korbowy silnika spalinowego w okresie rozruchu. Przepływ prądu z akumulatora do prądnicy jest uniemożliwiony przez tzw. wyłącznik prądu zwrotnego (prądnicy prądu stałego) lub prostownik (alternatora).
W chwili, gdy napięcie prądnicy przekracza wartość jałowego napięcia akumulatora U0
(rys. 5.20), przejmuje ona całe obciążenie i dodatkowo doładowuje akumulator. Jeśli moc włączonych odbiorów jest duża, to zarówno prądnica, jak i akumulator pracują jako źródła (równolegle). Stan ten nie może jednak trwać zbyt długo, by nie doszło do nadmiernego rozładowania akumulatora.
Rys. 5.19. Schemat ideowy zasilania elektrycznego w samochodzie: G - źródło podstawowe (prądnica z regulatorem napięcia), Z - układ zaworowy (diodowy lub z wyłącznikiem prądu zwrotnego)
Rys. 5.20. Akumulator jako rzeczywiste źródło napięcia w stanie: a) ładowania, b) obciążenia
W wagonach pasażerskich stosuje się specjalne prądnice prądu stałego, nazywane prądnicami Rosenberga, które wytwarzają napięcie o stałej wartości i o stałej biegunowości (po przekroczeniu określonej wartości prędkości obrotowej wirnika i niezależnie od jej zwrotu). Prądnice te współpracują z bateriami akumulatorów, podobnie jak prądnice samochodowe - z pojedynczym akumulatorem.
Zasilanie odbiorów prądu stałego ze źródła podstawowego, z dołączoną równolegle do niego baterią akumulatorów, nosi miano pracy buforowej, a zasilanie z samej baterii akumulatorów - pracy bateryjnej. Przy przejściu akumulatora ze stanu ładowania (rys. 5.20a) do stanu obciążenia (rys. 5.20b) występuje skokowa zmiana napięcia od wartości Ul do wartości U2 .
(
obc ad)
w i i
R U
U
U = 1− 2 =− +
∆ , (5.32) gdzie: Rw - rezystancja wewnętrzna akumulatora,
i ład - prąd ładowania akumulatora,
i obc - prąd obciążenia (wyładowania) akumulatora.
Skok napięcia na zaciskach akumulatora jest więc tym mniejszy, im mniejsze są prądy ładowania i następującego po nim obciążenia. Jałowe napięcie akumulatora jest miarą jego naładowania i wpływa na wartość prądu ładowania.
W instalacji elektrycznej samochodu lub wagonu pasażerskiego dopuszcza się duże wahania napięcia. Zmiany napięcia akumulatorów przenoszą się bezpośrednio do obwodu odbiorczego.
W przypadku urządzeń telekomunikacyjnych i komputerów wymaga się bezprzerwowego zasilania napięciem o praktycznie stałej wartości (o małych wahaniach). Podstawowym źródłem energii elektrycznej w tzw. siłowni telekomunikacyjnej jest sieć elektroenergetyczna, a rezerwowym - baterie akumulatorów lub agregat prądotwórczy (po dłuższej przerwie w zasilaniu sieciowym). Napięcie wyjściowe siłowni telekomunikacyjnej musi mieć stałą wartość - niezależnie od tego, skąd pobiera ona energię. Ewentualne wahania napięcia w sieci przy zmianach rodzaju pracy (w chwilach zaniku oraz powrotu zasilania sieciowego), nie mogą wywoływać błędnego zadziałania urządzeń telekomunikacyjnych. Stosuje się układy zasilania gwarantowanego (podtrzymujące i stabilizujące napięcie) o dużej niezawodności - zasilacze bezprzerwowe (UPS, z ang. Uninterruptible Power System) z bateriami akumulatorów oraz agregatem prądotwórczym i SZR (samoczynnym załączaniem rezerwy). Przykładowe rozwiązania pokazano na rys. 5.21 i 5.22.
Rys. 5.21. Schemat współczesnej siłowni telekomunikacyjnej prądu przemiennego;
AP - agregat prądotwórczy, ZP - zespół prostownikowy, BA - bateria akumulatorowa, FT - falownik tyrystorowy, LO - łącznik obejściowy, UPS - zasilacz bezprzerwowy
Rys. 5.22. Schemat zasilania gwarantowanego w układzie rozproszonym (z indywidualnymi zasilaczami UPS)
UPS (po <5min)
G SZR
agregat prądotwórczy
odbiory kat. II rozdzielnia rezerwowego
zasilania rozdzielnia
główna
UPS i bat.
UPS i bat.
odbiory kat. I
5.8. PRZEKAŹNIKOWO-STYCZNIKOWE UKŁADY STEROWANIA ENERGOELEKTRYCZNYCH URZĄDZEŃ ODBIORCZYCH
NISKIEGO NAPIĘCIA
Układy przekaźnikowo-stycznikowe stosuje się przede wszystkim w obwodach zasilania rozdzielnic niskiego napięcia i w zautomatyzowanym napędzie elektrycznym: w rozdzielni- cach - do samoczynnego załączania rezerwy (SZR); w napędzie - do sterowania procesami:
rozruchu, hamowania, nawrotu (zmiany kierunku wirowania) lub „przechodzenia” na inną charakterystykę naturalną (w celu zmiany prędkości pracy ustalonej). Włączanie i wyłączanie styczników może być dokonywane ręcznie (za pomocą przycisków sterujących) lub samo- czynnie, tzn. w uzależnieniu od zmian wartości określonych wielkości fizycznych.
W układach napędowych zmienne te są związane bezpośrednio (prąd, napięcie, częstotliwość, prędkość) lub pośrednio (czas, położenie mechanizmu napędzającego) ze stanami pracy silników.
Sterowanie automatyczne odbywa się zwykle wg funkcji jednej z wielkości zmiennych.
Przy przekraczaniu wartości progowych tej zmiennej następują w układzie kolejne przełączenia styczników, wywołujące zmiany struktury obwodu sterowanego (głównego).
Zmianom struktury obwodów elektrycznych urządzeń napędowych towarzyszą skokowe zmiany wartości chwilowych prądu i momentu obrotowego silników. Wartości progowe kontrolowanej wielkości mogą być w przekaźnikach nastawiane, stosownie do potrzeb sterowania.
W układach sterowania przekaźnikowo-stycznikowego stosuje się powszechnie prze- kaźniki elektromechaniczne. Są to przyrządy reagujące na określone zmiany wartości wielkości pobudzającej (wejściowej, sterującej) przełączeniem swego układu styków. Zestyki przekaźników wykorzystuje się wyłącznie w obwodach sterowania, cechuje je bowiem mała obciążalność.
Działanie przekaźnika charakteryzuje określona zwłoka czasowa. Jeśli jest ona wynikiem celowych zabiegów konstrukcyjnych, przekaźnik nazywa się zwłocznym, a jeśli nie jest - bezzwłocznym. Ze względu na przeznaczenie przekaźniki dzielimy na pomiarowe i pomocnicze. Przekaźniki pomiarowe działają przy pewnej określonej wartości wielkości pobudzającej i mają z reguły podziałkę nastawień tej wielkości. Przekaźniki pomocnicze reagują na pojawienie się lub zanik wielkości pobudzającej i nie mają podziałki nastawień tej wielkości.
Przekaźniki pomocnicze dzielą się na pośredniczące, czasowe i sygnałowe. Przekaźniki pośredniczące mają za zadania powtarzać bądź negować i zwielokrotniać sygnał wejściowy, przy czym moc obwodów sterowanych (wyjściowych) jest zwykle większa od mocy obwodu sterującego (wejściowego). Dodatkowa zadanie może polegać na galwanicznym rozdzieleniu torów prądowych: sterujących i sterowanych. Przekaźnik czasowy jest przekaźnikiem zwłocznym o nastawianym czasie działania. Przekaźniki sygnałowe posiadają sygnalizację zadziałania, kasowaną przez obsługę.
Większość przekaźników elektromechanicznych pomocniczych, stosowanych w energo- elektryce, stanowią przekaźniki elektromagnetyczne oraz czasowe o napędzie elektromagne- sowym lub silnikowym. Przekaźniki elektromagnetyczne pośredniczące działają na tej samej zasadzie, co stycznik elektromagnesowy.
W obwodach sterowania układów zautomatyzowanego napędu elektrycznego występują
cewki i zestyki przekaźników pomocniczych, cewki styczników i ich zestyki pomocnicze, zestyki przekaźników pomiarowych i zabezpieczeniowych, zestyki przycisków sterowniczych, wyłączników drogowych itp. Dla przejrzystości, schematy obwodów sterowania przedstawia się w postaci obwodowej (rozwiniętej), jak na rys. 5.23b. Analizę i syntezę nieskomplikowanych obwodów sterowania prowadzi się w sposób intuicyjny, a bardziej złożonych - przy zastosowaniu metod teorii układów przełączających (teorii automatów).
W obwodach głównych układów zautomatyzowanego napędu elektrycznego występują zestyki łączników ręcznych, bezpieczniki, zestyki główne styczników, uzwojenia przekaźników pomiarowych i zabezpieczeniowych, uzwojenia silników oraz ich zwalniaków (luzowników). Zadanie zwalniaków polega na sterowaniu hamulcami mechanicznymi silników (np. wciągarek), są więc równocześnie z nimi włączane i wyłączane. Cewki zwalniaków, w zależności od wykonania, mogą być zasilane prądem stałym lub przemiennym oraz łączone szeregowo lub równolegle z uzwojeniem obwodu podstawowego silników.
Dla przejrzystości, w pokazanych tutaj schematach obwodów głównych napędu elektrycznego, pominięto zestyki łączników ręcznych, bezpieczniki, cewki przekaźników oraz zwalniaków.
Rys. 5.23. Schematy rozwinięte sterowania silnika indukcyjnego za pomocą stycznika elektromagnesowego: a) obwód główny, b) obwód sterujący
Rys. 5.24. Obwody główne wybranych układów stycznikowych do rozruchu rezystorowego (oporowego) silników elektrycznych: a) bocznikowych prądu stałego (A1 i B2 albo C2 - zaciski uzwojenia twornika z dołączonym uzwojeniem komutacyjnym oraz, jeśli występuje, kompensacyjnym; E1 i E2 - zaciski uzwojenia wzbudzającego bocznikowego), b) szeregowych
prądu stałego (A1, B2, C2 - jw.; D1 i D2 - zaciski uzwojenia wzbudzającego szeregowego), c) indukcyjnych pierścieniowych (U, V, W - zaciski uzwojenia stojana w układzie gwiazdowym;
K, L, M - końcówki uzwojenia wirnika)
Układy przekaźnikowo-stycznikowego sterowania napędem elektrycznym należą do ukła- dów wielotaktowych (sekwencyjnych). Powtarzanie się niektórych sekwencji łączeniowych w obwodach głównych różnych układów napędu elektrycznego ułatwia projektowanie schematów obwodów sterowania; za przykład mogą służyć układy pokazane na rys. 5.24, w których załączanie styczników przy rozruchu silników powinno następować w kolejności zgodnej z ich numeracją (1S, 2S, 3S).
Uzyskanie określonej kolejności przełączania zestyków głównych styczników (pod wpływem zmian kontrolowanej wielkości fizycznej) wiąże się z realizacją uzależnień logicznych i koordynacją czasów działania poszczególnych elementów układu sterowania (wejściowych, wyjściowych i pośredniczących), co unaoczniają schematy na rys. 5.25 i 5.26.
Rys. 5.25. Sterowanie rozruchem silników prądu stałego wg funkcji czasu: a) schemat rozwinięty obwodu sterującego (obwód główny na rys. 5.24a, b); b) wykresy czasowe działania elementów obwodu sterującego, uwzględniające opóźnienia związane z czasami własnymi tych elementów;
c) objaśnienie do wykresów czasowych dotyczące sposobu oznaczania stanów pracy elementów;
W, Z - przyciski sterujące, S - styczniki elektromagnesowe, PC - przekaźniki pomocnicze czasowe (z nastawianymi opóźnieniami - odpowiednio: T1 i T2 - przy wzbudzaniu), PP - przekaźnik pomocniczy pośredniczący; cyfry przed S i PC - numery aparatów;
indeksy po S, PC i PP - numery zestyków
Rys. 5.26. Sterowanie rozruchem silników prądu stałego wg funkcji prądu: a) schemat rozwinięty obwodu sterującego (obwód główny - jak na rys. 5.24a, b - z cewką przekaźnika pomiarowego
prądowego PI, połączoną szeregowo z uzwojeniem twornika); b) wykresy czasowe działania elementów obwodu sterującego, uwzględniające opóźnienia związane z czasami własnymi
tych elementów. Symbole elementów - jak na rys. 5.25