Balázs Gergely György. Négynegyedes hálózatbarát áramirányítók szabályozása, különös tekintettel járműves alkalmazásokra

Átírás

1 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Villamosmérnöki és nformatikai Kar Villamos Energetika Tanszék Balázs Gergely György Négynegyedes hálózatbarát áramirányítók szabályozása, különös tekintettel járműves alkalmazásokra Ph.D értekezés Témavezető: Dr. Schmidt stván Villamos Energetika Tanszék Budapest, 01

2 Előszó Azért vagyunk a világon, hogy valahol otthon legyünk benne - ismételtem el magamban. És éreztem, hogy a szívem megtelik nagy és általános meleggel, a lelkem megtelik a derűs idő nyugalmával, és a szemem megtelik a hajnal harmatával. Lassan felálltam és azt mondtam: - gaza van: késedelem nélkül haza fogok menni, hogy otthon lehessek valahol ezen a világon! gaza van: nem is lehetünk más célra ebben az életben, mint hogy megismerjünk mindent, amennyire lehetséges: a tarka és zegzugos világot, a megbocsátandó embereket, az egymásra morgó népeket; s amikor mindent megismertünk, amennyire lehetséges, akkor visszamenjünk oda, ahol otthon lehetünk Tamási Áron Úgy gondolom, nagyon fontos mindannyiunk életében, hogy megtaláljuk az otthont, a lelki otthont, a családi otthont és azt a szakmát, szakterületet, amit szívesen végzünk, ahol otthonosan mozgunk. Gyermekkorom óta vonzottak az autók és a különböző járművek. Ez a vonzalom eredményezte műszaki orientációmat, és azt, hogy a villamos járművek, villamos hajtásrendszerek területével kezdtem foglalkozni. Úgy érzem, hogy ezen a szakterületen megtaláltam a szakmai otthont. Ezen a területen érdekes kutatásokat, fejlesztéseket végezhetek, számos nívós konferencián bővíthetem tudásomat, szorgalmas és lelkes hallgatókkal dolgozhatok együtt. Ráadásul lehetőségem nyílt egy szabadalmat is benyújtani, amit az elmúlt időszak legnagyobb szakmai eredményének tekintek. Kiváltságnak érzem, hogy nívós környezetben végezhettem kutatásaimat. Munkám során a villamos hajtásrendszerek magas szintű, hazai és nemzetközi környezetben is elismert, neves iskolájában tanulhattam és fejlődhettem, amelyet Dr. Rácz stván, Dr. Halász Sándor, Dr. Schmidt stván és Dr. Veszprémi Károly professzor urak neve jellemez. Ezért különösen is megtisztelő számomra, hogy elnyerhettem az iskolaalapítóról elnevezett Rácz stván díjat. Munkám összefonódott a villamos gépek tudományterülettel, megtisztelés számomra, hogy együtt dolgozhattam a villamos gépes szakma jeles képviselőivel, Dr. Vajda stván professzor úrral és Dr. Kohári Zalánnal. Örülök, hogy munkám során kapcsolatba kerülhettem a villamosenergia rendszerek hazai és nemzetközi szinten is jó hírű iskolájával, amelynek jeles képviselői Dr. Varjú György és Dr. Dán András professzor urak. Az egyetemi környezeten kívül lehetőségem nyílt az iparral szorosan együttműködve dolgozni. A közös munka során sokat tanulhattam a DiFiLTON-ARC Kft munkatársaitól, elsősorban Horváth Miklóstól. Szakmai fejlődésem fontos állomása volt az az idő, amit a Ganz-Skoda Electric zrt-nél tölthettem, ahol a szakma olyan jeles képviselőitől tanulhattam, mint Dr. Ruzsányi Tamás és Paál Ernő. ii

3 Köszönetnyilvánítás Hálásan köszönöm Dr. Schmidt stván professzor úrnak, hogy a doktori munkám során konzulensem volt. Kiváló szakértelme, a villamos hajtásrendszerek mély ismerete, végtelen precizitása és türelme az egész tanszéki közösségünk nagy értéke. Megtiszteltetés számomra, hogy vele dolgozhatok, személye nagyban hozzájárult szakmai fejlődésemhez és e disszertáció elkészítéséhez. Hálás vagyok Horváth Miklós címzetes docens úrnak a szakmai iránymutatásaiét, a hasznos konzultációkért, amelyekkel irányt mutatott az előrelépésben, és a közösen elvégzett munkáért. Nagyon sokat tanulhattam tőle, mindig csodálattal figyeltem azt a gyakorlati tudást és problémamegoldó képességet, amellyel ő rendelkezik. Örülök, hogy vele együtt végezhettem a disszertációhoz kötődő méréseket. Köszönettel tartozom Dr. Kiss Péter adjunktus úrnak a közösen elvégzett munkáért. Vele mindig egyetértésben, az adott problémát több szemszögből tudtuk elemezni. Örülök, hogy a jó szakmai kapcsolatunkon felül baráti kapcsolat is kialakulhatott közöttünk. Köszönettel tartozom a DiFiLTON-ARC Kft-nek, Manno Sándor ügyvezető úrnak és a vállalat minden munkatársának, hogy megteremtették a lehetőséget a disszertációhoz kapcsolódó mérések elvégzésére. Köszönöm a Villamos Energetika Tanszék munkatársainak, hogy segítettek, bátorítottak, és hasznos tanácsokkal láttak el a doktori munkám során. Külön köszönöm Janka Sándor kollégámnak, hogy a nehezebb időszakban kiállt mellettem, és számos feladatomat átvállalva elősegítette a disszertációm elkészülését. A doktori munkám nem jöhetett volna létre családom segítsége nélkül, akik mindvégig támogattak, fizikailag és lelkileg segítettek a munkám elkészítésében. Ezért hálásan köszönöm édesanyámnak Dr. Baki Mártának, édesapámnak Prof. Dr. Balázs Lajosnak, nővéremnek Ambrusné Balázs Borbálának és nagymamámnak Baki stvánnénak akik megteremtették a lehetőségét, hogy tanulhassak, elvégezhessem a doktori iskolát és elkészítsem a disszertációt. Külön köszönöm édesapámnak a bölcs tanácsait, amelyekkel folyamatosan segítségemre volt. Köszönöm nagyobbik lányomnak, Balázs Lillának a szeretetét, ragaszkodását és türelmét, hogy tudta nélkülözni Apát napközben, délutánonként, esténként és hétvégenként is, hogy ez a disszertáció elkészülhessen. Köszönet illeti kisebbik lányomat, Balázs Emesét, aki nővéréhez hasonlóan sokszor nélkülözte édesapját. iii

4 Mindenek előtt szeretném hálásan megköszönni feleségemnek Balázs Barbarának, hogy megteremtette azt a meleg és szeretetteljes légkört, amely nélkül nem tudtam volna helytállni. Köszönöm szeretetét, türelmét, megértését, amellyel a közösen eltöltött évek során elhalmozott, végig mellettem állt, támaszt nyújtott nekem. Ő az, aki megteremti számomra azt a családi fészket, ahol gyermekeimmel együtt otthon lehetek, ahol szívem megtelik nagy és általános meleggel, a lelkem megtelik a derűs idő nyugalmával, és a szemem megtelik a hajnal harmatával. A disszertációmat feleségemnek Barbarának, lányaimnak Lillának és Emesének ajánlom. SDG iv

5 Tartalomjegyzék Előszó... ii Köszönetnyilvánítás... iii Tartalomjegyzék... v Rövidítések és jelölések jegyzéke... viii 1 Bevezető, célkitűzések... 1 Hálózatszennyezés problémái Korszerű frekvenciaváltós hálózatbarát villamos hajtások időtartománybeli modelljei kéttartományos szimulációs vizsgálatokhoz Korszerű frekvenciaváltós állandómágneses szinkron és aszinkron motoros hajtásrendszerek bemutatása Korszerű váltakozó feszültségű hálózatra kapcsolt hálózat oldali áramirányítók Váltakozó feszültségű hálózatra kapcsolódó hálózatoldali áramirányítók A kéttartományos szimulációs módszer bemutatása Korszerű frekvenciaváltós hajtásrendszer szimulációs modellje A szimulációs programok áttekintése Alkalmazott módszer kiválasztásának szempontjai és sajátosságai Viszonylagos egységek alkalmazása Hálózatoldali áramirányító modellje Motor oldali áramirányítók és motorok modelljei dőtartománybeli szimulációs eredmények Rövidrezárt forgórészű aszinkron motoros hajtásrendszer szimulációs időtartománybeli eredményei Szinkron motoros hajtásrendszer vizsgálata Áramgenerátoros közelítés jóságának bizonyítása Kéttartományos szimulációs eredmények Vasúti alkalmazások vizsgálata v

6 3.6. PV inverterek vizsgálata tézis Újfajta áramszabályozási módszer hálózatbarát áramirányítók váltóirányító üzeméhez Stratégia ismertetése Egyfázisú hálózatra kapcsolt áramirányító esetén Háromfázisú hálózatra kapcsolt áramirányító esetén Elv gyakorlati megvalósítása Stratégia vizsgálata mérésekkel Teszt rendszer felépítése Mérési eredmények Stratégia vizsgálata kéttartományos szimulációkkal tézis: Áramszabályozási stratégiák összehasonlítása Különböző stratégiák bemutatása Szinuszos eset: Ohmos eset: Új stratégia: Egyes esetek összehasonlítása Szinuszos - ohmos eset: Új stratégia - szinuszos eset: Új stratégia - ohmos eset: Mutatószámok értelmezése Mutatószámok közötti összefüggések: Eredmények grafikus megjelenítése: Háromfázisú áramirányító által kikényszerített áramok közötti összefüggések Szinuszos eset (3F) Ohmos eset (3F) vi

7 5.4.3 Új stratégia (3F) Üzemmód váltás szükségessége tézis Tézisek gyakorlati alkalmazása Összefoglalás Saját publikációk jegyzéke rodalomjegyzék Melléklet Viszonylagos egységek rendszere Általános összefüggések Teljesítmény számítás viszonylagos egységekkel dőtartománybeli modellek felépítése Rövidrezárt forgórészű aszinkron motoros hajtásrendszer modellje Állandómágneses szinkron motoros hajtásrendszer modellje Rövidrezárt forgórészű aszinkron motoros hajtásrendszer szimulációs eredményei Állandómágneses szinkron motoros hajtásrendszer szimulációs eredményei Melléklet vii

8 Rövidítések és jelölések jegyzéke Alsó- és felső indexek jegyzéke: ref alapjel Park vektor viszonylagos egységek jelölése 1 alapharmonikus a,b,c d,q ford, sin, ohm id n α, β ν fázis mennyiségek pólusfluxus vektor irányába mutató, és arra merőleges irányba mutató komponens különböző áramszabályozási stratégiák jelölése ideális eset névleges érték rotorfluxus vektor irányába mutató, és arra merőleges irányba mutató komponens felharmonikus A disszertációban használt fontosabb rövidítések és jelölések jegyzéke: rotorfluxus, nagysága, körfrekvenciája és pozíciója r, r,, r r, opt nyomatékszög, optimális nyomatékszög ih_ihid C GTO i ~ (a,b,c) ampl i C i DC i DCl, i DClsz i F ideális és valósághű eset összehasonlítására vonatkozó tényező közbülső egyenfeszültségű kör simító kondenzátorának kapacitása Gate Turn Off Tiristor hálózati áram hullámalakjának alapjele hálózati áram amplitúdójának alapjele közbülső egyenfeszültségű kör simító kondenzátorának árama hálózatoldali áramirányító felől a közbülső egyenfeszültségű körbe folyó áram közbülső egyenfeszültségű körből a motoroldali áramirányító által felvett/leadott áram, és aluláteresztő szűrővel szűrt értéke közbülső egyenfeszültségű kör f h -ra hangolt szűrőjének árama viii

9 GBT i h (a,b,c) i i (a,b,c) SZM j KF, KÖF, NAF solated Gate Bipolar Transistor hálózati áram (3F esetben fázisáramok) hálózatoldali áramirányító váltakozó feszültségű oldalán lévő áram (3F esetben fázisáramok) mpulzus szélesség moduláció imaginárius egység kisfeszültség, középfeszültség, nagyfeszültség L aszinkron gép tranziens induktivitása L d, L q állandómágneses szinkron gép hossz- és keresztirányú induktivitásai L m L sz1, L sz, C sz aszinkron gép főmező induktivitása hálózati szűrő paraméterei m, m t motor nyomaték, ill. terhelő nyomaték p, P hatásos teljesítmény, pillanatérték, középérték PV inverter Napelemhez kapcsolódó inverter egység Q R F, L F, C F R r R Tr, L Tr meddő teljesítmény közbülső egyenfeszültségű kör f h -re hangolt szűrőjének paraméterei aszinkron gép rotor ellenállása főtranszformátor helyettesítő kapcsolásának paraméterei T aszinkron gép tranziens időállandója T d, T q állandómágneses szinkron gép hossz- és keresztirányú időállandói THD áram teljes harmonikus torzítási tényező, THD ( )/ 1 THD feszültség teljes harmonikus torzítási tényező, THD ( ) / 1 T in T ro u, f AL, AL, ω AL u Csz (a,b,c) hajtás névleges indítási időállandója aszinkron gép rotorköri üresjárási időállandója SZM modulátor vivőjelének feszültsége és frekvenciája feszültség, áram és körfrekvencia alapmennyiségek viszonylagos egységek számításához hálózati szűrő kondenzátor feszültsége ix

10 u DC u h (a,b,c) u i (a,b,c) n_h, n_h n_m, n_m u r, i r, ω r u vez (a,b,c) ε θ ν φ ν ψ p, Ψ p ω k ω h, f h ω n_m ω közbülső egyenfeszültségű kör feszültsége hálózati feszültség (3F esetben fázisfeszültségek) hálózatoldali áramirányító váltakozó feszültségű oldalán lévő feszültség (3F esetben fázisfeszültségek) névleges hálózati feszültség/áram: fázisfeszültség/áram csúcsértéke névleges motor feszültség/áram: fázisfeszültség/áram csúcsértéke rotor feszültség, áram, szögsebesség SZM modulátor vezérlő feszültsége hibahatár kéttartományos szimulációs módszerekhez tehetetlenségi nyomaték felharmonikus összetevők rendszáma alapharmonikushoz viszonyított szögeltérés pólusfluxus, nagysága közös koordináta rendszer szögsebessége alapharmonikus hálózati körfrekvencia, frekvencia névleges motor tápkörfrekvencia motor szögsebesség x

11 1 Bevezető, célkitűzések Technikailag fejlett világunkban a legértékesebb, legsokoldalúbban felhasználható energiafajta a villamos energia. Mivel a Föld energiatartalékai kimerülőben vannak, ezért kiemelkedő jelentőséggel bír az energiahatékonyság és a környezetbarát alternatív energiaforrások kiaknázása, annak érdekében, hogy az egyéb energiafajták mellett az értékes villamos energia megfelelő mennyiségben és minőségben továbbra is rendelkezésre álljon. Ezért e vonatkozásban minden racionalizálási szándék felértékelődik, és különös figyelmet érdemel. Napjainkban a villamos energia elosztása, szolgáltatása váltakozó áramú hálózat által történik. A korszerű fogyasztók és egyes energiatermelők azonban a villamos energiát zömében egyenáram (vagy feszültség) formájában dolgozzák fel. Ezt úgy is tekinthetjük, hogy az energiaáramlás a váltakozó feszültségű hálózat és az egyenfeszültségű hálózat között valósul meg akár két irányban is. A váltakozó feszültségű hálózatból a fogyasztók energiát vesznek fel; belső egyenfeszültségű körrel rendelkező tartósan vagy időszakosan energiát termelők az egyenfeszültségű hálózatból a váltakozó feszültségű hálózatba energiát táplálnak vissza. Emiatt a fogyasztók egy része esetenként energiatermelőnek minősül, mint pl. fékezéskor a villamos járművek, motorok stb. A korszerű fogyasztók a váltakozó feszültségű hálózat által szállított energiát átalakítva egyenfeszültségű hálózatból teljesítményelektronikai berendezések közvetítésével hasznosítják. Ezért a váltakozó feszültségű hálózat feszültségét első lépésben átalakítják egyenfeszültséggé ily módon létrehozva az egyenfeszültségű hálózatot majd a technológiai követelményeknek megfelelően az egyenfeszültségű hálózatra csoportosan vagy egyedileg csatlakozó fogyasztó(k) számára az egyenfeszültségű energiából megfelelő energiaátalakítókkal testre szabott villamos mennyiséget képeznek (Pl. alternatív energiatermelők, vontatási, illetve egyéb célra szolgáló szabályozott villamos hajtások, energia-átalakítók, háztartási gépek, hegesztő berendezések, számítástechnikai eszközök, kompakt fénycsövek, szórakoztató elektronikai készülékek stb.). A váltakozó feszültségű és az egyenfeszültségű hálózat közötti energiaátalakítás megvalósítását szemléletesen bemutatja pl. a DE A1 számú [1], valamint a H lajstromszámú szabadalom []. 1

12 A váltakozó feszültségű hálózatból energiát felvevő fogyasztók jelentős hányadában energia visszatáplálásra nincs szükség, mert a hálózatból mindig csak energiát vesznek fel, vagy az átmenetileg termelt energiát veszteségesen eliminálják. Ma még a legtöbb ilyen alkalmazás esetében az egyenfeszültséget egyszerű diódás egyenirányító felhasználásával állítják elő. A váltakozó áramú fogyasztók egy másik jelentős csoportja esetenként, illetőleg az egyenáramú energiatermelők tartósan a váltakozó feszültségű hálózatba energiát táplálnak vissza. Ezek számára az egyszerű diódás egyenirányítók helyett kétirányú energiaáramlásra: egyenirányító és váltóirányító üzemre egyaránt alkalmas félvezetős áramirányítók szolgálnak. Az egyszerű diódás egyenirányítók többségének üzemére jellemző, hogy a váltakozó áramú hálózat egy-egy periódusában nem folyamatosan, hanem szakaszosan, úgynevezett szaggatott vezetéssel történik az áramfelvétel a váltakozó áramú hálózatból. A periódusonkénti szakaszos nemlineáris áramterhelés nagymértékű hálózatszennyezést okoz, mert a hálózatból felvett áramnak rendkívül jelentős a felharmonikus tartalma. A nagyobb teljesítményű diódás egyenirányítók üzemét igyekeznek folytonos áramvezetésűvé tenni, azonban ezek hálózatból felvett árama is nagy felharmonikus tartalmú, mivel ugyancsak nemlineáris terhelést idéznek elő. Emiatt a leadott hatásos teljesítményhez szükséges áramnak akár többszöröse is lehet a váltakozó áramú vezetékek effektív áramterhelése. Ez jelentős többletveszteséget és feszültségesést okoz, tekintélyes mértékben lecsökkentve a kiépített hálózat energiaszállító képességét. A hálózat mögöttes impedanciáján folyó felharmonikusban gazdag áram annyira eltorzítja a hálózati feszültség szinuszos hullámalakját, hogy a fogyasztói csatlakozási ponton a feszültségalak jelentősen torzított lesz. A terhelés hálózatra gyakorolt visszahatása tehát jelentős mértékben lerontja a villamos energiahálózat feszültségminőségi paramétereit, ami súlyos gazdaságossági és műszaki gondokat idéz elő, üzemzavarok, meghibásodások forrását képezi, túlmelegedést kelt, elektromágneses zavarást okoz. A hálózatot drasztikusan szennyező elektronikus fogyasztók rohamos mértékű szaporodásával előidézett problémák ellen egyetlen hatékony eszköz áll rendelkezésre: az elektronikus fogyasztók hálózatoldali áramirányítóit hálózatbarát tulajdonsággal kell felruházni. A jelenleg alkalmazásban lévő hálózatbarát áramirányítók áramszabályozási célja az, hogy normál üzemi körülmények között a váltakozó áramú hálózatból felvett vagy a hálózatba visszatáplált áram nagysága minden időpillanatban arányos legyen a váltakozó áramú hálózati feszültség, vagy

13 annak alapharmonikusának pillanatértékével. Így a jelenleg használt hálózatbarát eszközök célja, hogy feszültségarányos vagy szinuszos áramot vegyen fel, vagy tápláljon vissza a váltakozó áramú hálózatba. Az efféle hálózatbarát tulajdonság a kétirányú energiaáramlásra alkalmas négynegyedes áramirányítók teljesítményfélvezetőinek célszerű vezérlésével megvalósítható. Sajnálatos módon szembesülni kell tehát azzal a ténnyel, hogy a váltakozó áramú hálózat feszültsége ideális szinuszos hullámalakja erőteljesen torzított, nagymértékben szennyezett a nemlineáris fogyasztók tömeges jelenléte miatt. Éppen ezért fel kell kutatni minden olyan megoldást, amivel a szennyezett hálózat korábban megemlített káros hatásait csökkenteni lehet. A kétirányú energiaáramlásra alkalmas kapcsolóüzemű áramirányítók célszerű vezérlési eljárása lehet ennek egyik eszköze. A disszertáció váltakozó feszültségű hálózatokra kapcsolt hálózatbarát áramirányítók hálózati visszahatásainak vizsgálatával foglalkozik. A tárgykör feldolgozása multidiszciplináris megközelítést igényel, amely széleskörű elméleti és gyakorlati ismereteket követel meg. A téma ugyanis a villamos energetika több területét is lefedi (villamos hajtások, teljesítményelektronika, villamos hajtások szabályozása, villamos hálózatok, hálózati visszahatások). A disszertáció egyik célja egy olyan szimulációs keretrendszer megalkotása, amellyel lehetőség nyílik hálózatbarát tulajdonsággal rendelkező áramirányítók hálózati visszahatásait, valamint a nemlineáris, hálózatszennyező fogyasztók és a hálózatbarát áramirányítók egymásra hatását gyors szimulációs módszerekkel megvizsgálni. Az értekezés másik célkitűzése hídkapcsolású hálózati áramirányítók számára olyan áramszabályozási stratégia megalkotása, és összehasonlítása a jelenleg alkalmazott módszerekkel, amellyel csökkenteni lehet a felharmonikusokkal szennyezett hálózat káros hatásait. 3

14 Relatív amplitudó [%] Hálózatszennyezés problémái A bevezetőben említett diódás egyenirányítókon kívül a váltakozó feszültségű hálózatokra egyre nagyobb számú hálózatszennyezést okozó fogyasztó csatlakozik. A szolgáltatói és fogyasztói oldal egyaránt szembesül a hálózatszennyezés okozta veszélyes jelenségekkel, amelyek energia- és szállítókapacitás pocsékolást, kifogásolható minőségű energiaszolgáltatást eredményeznek, és már-már a biztonságos villamosenergia ellátást is veszélyeztetik [3]. A hálózatszennyező fogyasztók hálózati visszahatásai miatt az alábbi problémák léphetnek fel [4]: tranziens túlfeszültség igénybevételek, többletveszteség, túlterhelődés, túláram igénybevétel a hálózat elemeken, zúgászavar a telekommunikációs hálózatban, hálózati távközlő rendszerek (PLC/BPL) zavarása zavarás a körvezérlő rendszerekben, a smart fogyasztásmérők pontosságának rontása, a hálózati védelmi és automatikai rendszerek hibás érzékelése és működése, félvezető vezérlések hibás működése. Tekintsünk néhány jellemző, jelentős hálózatszennyezést okozó fogyasztót: Kompakt fénycsövek: Az elmúlt években indult el az a folyamat, amely során a kompakt fénycsövek egyre szélesebb körben terjednek el, és szorítják ki az izzószálas villanyégőket. Először a 100W-os izzókat vonták ki a kereskedelmi forgalomból az Európai nióban, majd később a kisebb teljesítményű izzószálas izzólámpák gyártását is befejezték. A kompakt fénycsövekkel jelentős energia csökkenés érhető el, például egy 60 W-os izzónak 11 W-os kompakt fénycső felel meg. Azonban az új világító eszközöknek jelentős hátrányuk, hogy jelentős felharmonikus áramokat injektálnak a hálózatba. A -1. ábra mutatja az áram harmonikus spektrumát egy kompakt fénycsőnek ( eff / 1_eff 1.54). 100% 80% 60% 40% 0% 0% Harmonikus rendszám -1. ábra: Kompakt fénycső áram spektruma [8] 4

15 Relatív amplitudó [%] Kapcsolóüzemű tápegységek: A legtöbb korszerű elektronikus berendezés tartalmaz kapcsolóüzemű tápegységet. Ezekben a váltakozó feszültségű hálózathoz egy diódás egyenirányító kapcsolódik, amely egy feszültségcsökkentő kapcsolást táplál, amely a terhelés számára előállítja a szükséges egyen feszültség szintet, és biztosítja a megfelelő áramot. Hátrányuk, hogy a diódás egyenirányító miatt kisfrekvenciás, míg a kapcsolóüzemű feszültségcsökkentő kapcsolás miatt nagyfrekvenciás harmonikus áramokkal is szennyezik a hálózatot. A -. ábra mutatja a harmonikus áram spektrumát egy kapcsolóüzemű tápegységnek ( eff / 1_eff 1.6). 100% 80% 60% 40% 0% 0% Harmonikus rendszám -. ábra: Kapcsolóüzemű tápegység áram spektruma [8] Érdemes megjegyezni, hogy a szigorodó szabványok miatt már kezdenek elterjedni a hálózatbarát kapcsolóüzemű tápegységek és kompakt fénycsövek. Azonban mai napig az itt bemutatott, jelentős harmonikus torzítást okozó berendezéseket használják szélesebb körben. Soros gerjesztésű egyenáramú vontatómotoros mozdonyok: Magyarországon a vasúti felsővezeték hálózat 5kV, 50Hz-es váltakozó feszültségű. Hazánkban a villamos vasúti vontatásban még a mai napig is használják a soros gerjesztésű egyenáramú motoros mozdonyokat, amelyeket a 60-as, 70-es években terveztek és fejlesztettek ki. A MÁV Trakció Zrt gördülőállományának jelentős részét képezik a V43-as és V63-as mozdonyok. A V43-as fokozattranszformátoros diódás egyenirányító berendezést tartalmaz, ezzel szemben a V63-as mozdony félig vezérelt hídkapcsolású tirisztoros áramirányítón keresztül táplálja a vontatómotorokat, [5]. A mozdonyok nagymértékű felharmonikus áramokat injektálnak a hálózatba [6]. Ezek hatására olymértékben eltorzulhat a hálózati feszültség, hogy egyes mérési eredmények szerint a hálózati feszültség torzítottsága elérheti, sőt meg is haladhatja az 50%-os értéket. Ezt bizonyítja az invo-rácó Kft által mért eredmény (-3. ábra), amelyet a Boba-Hodos 5. számú vasútvonalon, Jánosháza állomásnál regisztráltak. A mérésük során ugyanazon a tápszakaszon egyszerre egy V43-as és egy V63- as mozdony gyorsított. 5

16 -3. ábra: Vasúti felsővezeték THD alakulása (mért érték) A fentiek alapján elmondható, hogy nagyszámú hálózatszennyező fogyasztó miatt a váltakozó feszültségű hálózatra kapcsolódó hálózatbarát áramirányító kapcsain felharmonikusokkal torzított feszültség jelalak fog megjelenni. Erre a torzított hálózatra fog valamilyen mértékben visszahatni a konverter, amely módosíthatja a hálózat torzítottságát és harmonikus tartamát. A disszertáció harmadik fejezete olyan modell megalkotásával foglalkozik, amellyel lehetővé válik a hídkapcsolású hálózatbarát áramirányítók hálózati visszahatásainak vizsgálata. A modellel tanulmányozni lehet a váltakozó feszültségű hálózat és az áramirányító egymásra gyakorolt hatását nemcsak az alapharmonikusra, hanem a felharmonikus áramokra és feszültségekre nézve is. A negyedik fejezet pedig négynegyedes hídkapcsolású áramirányítók számára egy olyan áramszabályozási stratégiát mutat be, amely a hálózati minőség javítására irányul. Az ötödik fejezet pedig a hálózat torzítottságától függő mutatószámok alapján javaslatot ad arra, hogy a négynegyedes hídkapcsolású áramirányító mely üzemében melyik áramszabályozási módszert célszerű alkalmazni. 6

17 3 Korszerű frekvenciaváltós hálózatbarát villamos hajtások időtartománybeli modelljei kéttartományos szimulációs vizsgálatokhoz Napjainkban egyre szélesebb körben alkalmaznak szimulációs vizsgálatokat nehezen megismerhető és mérhető rendszerek analízisére. Számos olyan program került kereskedelmi forgalomba, amely különböző mérnöki területeken biztosít vizsgálati lehetőségeket. Ezek alkalmazásával segíthetők és költséghatékonyabbá tehetőek bizonyos tervezési és vizsgálati feladatok. A szimulációs modellezés során törekedni kell a valós rendszer minél pontosabb leképezésére, azonban szükséges egyszerűsítéseket tenni a szimuláció futtatási idejének csökkentése érdekében. Érdemes megvizsgálni, hogy a váltakozó feszültségű hálózatra csatlakozó áramirányítók hogyan hatnak a hálózatra, milyen mértékben befolyásolják a hálózat viszonyait, illetve rontják a feszültség minőségét. Sok esetben mérésekkel az ilyen jellegű vizsgálatokat igen nehezen és költségesen lehet megvalósítani. A mérésekkel történő analízisnek jelentős eszköz igénye van. Nagy teljesítményű frekvenciaváltók, vagy több áramirányító azonos hálózatról azonos időben történő vizsgálata már igen bonyolulttá teszi a mérések elvégzését. Ezzel szemben szimulációs eljárásokkal egyszerűen lehet vizsgálatokat végezni akár nagyobb teljesítményű, akár több áramirányító hálózati visszahatását illetően. Eddig ilyen jellegű kutatásokra frekvencia- vagy időtartománybeli analíziseket végeztek. A frekvenciatartománybeli vizsgálatokhoz ismerni kell, vagy meg kell határozni: - a hálózat frekvenciafüggő paramétereit a vizsgált harmonikusokra nézve, és - a hálózatra kapcsolódó áramirányítók áram spektrumát. A hálózat frekvenciafüggő paramétereit rendszerint mérésekkel határozzák meg, vagy mérési eredményeket felhasználva analitikus módon [6] [7]. A különböző áramirányítók által keltett áram-spektrumokkal több neves szakirodalom is foglalkozik. smert, hogy folytonos illetve szaggatott vezetési tartományban a diódás áramirányítók milyen áramot keltenek [8], [9]. Számos szakirodalom foglalkozik tirisztoros áramirányító berendezések által keltett hálózati harmonikus áramokkal. Az analízisekhez figyelembe veszik a különböző gyújtási szögeket is [10]. mpulzus szélesség modulációs áramirányítók harmonikus áramainak meghatározásával is számos irodalom foglalkozik (példaképpen: [11]). Ezek közül a legismertebb szakirodalmi mű az alkalmazott hídkapcsolású áramirányítók több vezérlési módszerét mutatja be [1]. Elemzi, hogy az egyes módszerek alkalmazása esetén milyen áramot kényszerítenek ki a 7

18 konverterek, majd ez alapján meghatározza a spektrumokat. A könyv alapján lehetőség nyílik az ismert áramszabályozási módszerek esetén meghatározni a hálózatra kapcsolódó áramirányítók áram spektrumát. A szakirodalom alapján meg lehet határozni az egyes áramirányítók felharmonikus áram spektrumát. A hálózati visszahatás frekvenciatartománybeli vizsgálatához a módszer gyors, és közelítőleg jó eredményt ad, azonban nem veszi figyelembe azt, hogy az áramirányítók áram spektruma függ a hálózati feszültségtől, azaz a hálózati feszültség és az áramirányító által kikényszerített áram egymásra hatását figyelmen kívül hagyja. Az időtartománybeli szimulációs eljárásoknál nagy problémát jelent a hálózat paramétereinek jelentős frekvencia függése. Amennyiben ezt időtartományban a hálózatra jellemző átviteli függvénnyel szeretnénk leírni, jelentősen megnövekedik a szimulációs idő. Ezért legtöbb analízis a vizsgált áramirányítóval közös hálózatra kapcsolódó egyéb nemlineáris fogyasztók által torzított hálózati feszültséget nem veszi figyelembe, hanem a hálózatot tiszta szinuszos feszültség jelalakkal reprezentálja. Erre példa [13] és [14], amelyek hálózatbarát mozdony hálózatra gyakorolt hatásával foglalkoznak, és a hálózatot egy szinuszos feszültséggenerátorként veszik figyelembe. Annak ellenére sem foglalkoznak a feszültség jelalak torzítottságának problémájával, hogy ez jelentős mértéket ölthet váltakozó feszültségről táplált vasúti rendszerben. A hálózat szinuszos feszültséggenerátoros helyettesítése más cikkekben is megjelenik, például a GTO-s kapcsolóelemekkel rendelkező áramirányító különböző vezérlési módszereit bemutató cikkben [15]. Cseh szerző hármas az elmúlt évek neves konferenciáin és szakmai folyóiratokban számos cikket jelenített meg váltakozó feszültségről táplált vasúti járművek hálózatoldali áramirányítóinak szabályozási módjairól [16], [17], [18], [19]. Az idézett cikkek egyenáramú motoros mozdonyhoz áraminverter kapcsolású hálózatoldali áramirányító vizsgálatával foglalkoznak. A cikkek említést tesznek torzított feszültségű hálózatra kapcsolt áramirányító működéséről, szimulációs és mérési eredményeket is ismertetnek. Azonban minden esetben feszültséggenerátoros táplálást tételeznek fel, és nem veszik figyelembe a szimulációkkal, vagy teszt-rendszerrel modellezett hálózatbarát mozdony hatását a feszültség jelalak alakulására. Az analízisük nem terjed ki más nemlineáris fogyasztók által keltett harmonikus áramok vizsgálatára sem. 8

19 A szimulációs idő korlátok között tartása érdekében - amennyiben több fogyasztó hálózati visszahatását vizsgálják - az áramirányító és ehhez kapcsolódó hajtások modelljeit is leegyszerűsítik. Például a [0] konferencia cikk PV inverterek hálózati visszahatás vizsgálatához egyszerű RLC körből összeállított áramirányító modellt használ. Az időtartománybeli analízisek nagy előnye, hogy nem csak adott munkapontban lehet vizsgálni a rendszereket, hanem tranziens viselkedést is lehet tanulmányozni. Ezért az áramirányító modelljei leggyakrabban időtartományban kerülnek implementálásra. A szakirodalomban található időtartománybeli szimulációknak nagy hátrányuk, hogy túlzottan leegyszerűsített modellt használnak a váltakozó feszültségű hálózat, vagy olyan esetekben, mikor nagyszámú áramirányítót vizsgálnak - az áramirányítók modellezésére. Így nem lehet megfelelően vizsgálni a torzított hálózati feszültség és az áramirányító által kikényszerített áram egymásra hatását, például az impulzus szélesség moduláció hatását a hálózatra nézve. Az előzőek szerinti két széles körben alkalmazott eljárás mellett kollégáim, a Villamos Energetika Tanszék munkatársai kidolgozták és alkalmazták vasúti rendszerek vizsgálatához a kéttartományos szimulációs módszert (angolul Double Domain Simulation) [7], [1], []. Ez az eljárás ötvözi a frekvenciatartomány és az időtartomány szerinti szimulációs módszerek előnyös tulajdonságait, illetve azok számos hátrányát kiküszöböli. Az eljárás alkalmazásával megvalósítható a torzított feszültségű hálózat és az arra csatlakozó áramirányítók által kikényszerített áramok egymásra hatásának vizsgálata. A kéttartományos szimulációs módszer kapocs a frekvencia- és időtartománybeli modellek között. A teljes rendszer modelljének azon egységei, amelyeket egyszerűbben lehet modellezni a frekvenciatartományban, azok a frekvenciatartománybeli paramétereikkel vannak jelen. Ezzel szemben időtartományban kerülnek implementálásra azok az egységek, amelyek időfüggőek, és differenciálegyenletekkel jól jellemezhetők. Ezért a jelentős frekvenciafüggést mutató váltakozó feszültségű hálózat a frekvenciatartományban, míg a hálózatra kapcsolt áramirányítók az időtartományban modellezzük. Kéttartományos szimulációs módszerhez az eddig alkalmazott modelleknél pontosabb időtartománybeli modellt építettem, amivel korszerű négynegyedes hálózatbarát villamos hajtásrendszerek hálózati visszahatásait lehet vizsgálni. 9

20 3.1 Korszerű frekvenciaváltós állandómágneses szinkron és aszinkron motoros hajtásrendszerek bemutatása Napjainkban egyre szélesebb körben terjednek el szabályozott hajtásokban az állandómágneses forgórészű szinkron illetve rövidrezárt forgórészű aszinkron motoros hajtásrendszerek. Ezek a hajtásrendszerek frekvenciaváltót tartalmaznak, így lehetővé válik dinamikus működtetésük. Korábban megfelelő dinamikát csak szabályozott egyenáramú motorral lehetett elérni, azonban a teljesítményelektronika fejlődésével már váltakozó áramú motorokat is megfelelő dinamikával és energia hatékonyan lehet üzemeltetni. Ma már elérhetőek akár MW-os nagyságrendű motorokhoz is korszerű teljesítményelektronikai eszközök. Rövidrezárt forgórészű aszinkron motoros (ASZ) illetve állandómágneses szinkron motoros (SZ) frekvenciaváltós hajtások általános felépítését a 3-1. ábra szemlélteti. A frekvenciaváltók felépítését tekintve hálózatoldali áramirányítót, illetve motor oldali áramirányítókat tartalmaz. A két áramirányítót simító kondenzátort tartalmazó egyenfeszültségű vagy fojtótekercset tartalmazó egyenáramú kör köti össze. Az ábrán a nyilak az energiaáramlás irányát mutatják. Legtöbb esetben az energia a hálózat felől áramlik a frekvenciaváltón keresztül a motor felé, ezt az irányt reprezentálják a folytonos nyilak. Széles körben terjedtek el olyan alkalmazások, amelyeknél az energiaáramlás iránya fordított lehet, amelyek tartósan vagy időszakosan villamos teljesítményt táplálnak az egyen- vagy váltakozó feszültségű hálózatba. Az ábrán szaggatott vonal jelöli ezt az irányt. Olyan megoldási módszerek is vannak, amikor a motor oldali áramirányító kétirányú energiaáramlást tesz lehetővé, míg a hálózatoldali áramirányító csak egyet. Ebben az esetben a villamos gépek generátor üzemű fékenergiáját a közbülső egyenkörbe iktatott ellenálláson disszipálják el ábra: Frekvenciaváltós hajtások általános felépítése [5] 10

21 A frekvenciaváltós hajtások egyen- illetve váltakozó feszültségű hálózatra kapcsolódhatnak. Egyenfeszültségű tápforrásról üzemelnek például szünetmentes tápellátást biztosító eszközökhöz (PS) csatlakozó frekvenciaváltók, vagy közös egyenfeszültségű hálózatra kapcsolt hajtások (például: daru, vagy robothajtások). Azonban a frekvenciaváltók döntő többsége egy- vagy háromfázisú váltakozó feszültségű hálózatról üzemel. Egyenfeszültségű energiaforrás esetén nem alkalmaznak minden esetben hálózatoldali áramirányító eszközt. Néhány helyen azonban elkerülhetetlen az alkalmazásuk, ahol az egyenfeszültségű energiaforrás feszültségét illeszteni kell az egyenfeszültségű kör feszültségéhez. Váltakozó feszültségű hálózatról üzemelő átalakítóknál minden esetben beépítenek egy áramirányító eszközt, amely kapcsolatot teremt a közbülső egyenfeszültségű vagy egyenáramú kör és a hálózat között. A frekvenciaváltók motor oldali áramirányítói lehetnek feszültséginverterek vagy áraminverterek. A feszültséginverter bemenetén mindenképpen el kell helyezni egy nagy kapacitású kondenzátort, hogy az simítsa az egyenfeszültségű kör feszültségét. Az áraminverterek bemenetére pedig simító fojtótekercset helyeznek el, hogy az egyenáramú kör áramát simítsa. A teljesítményelektronika fejlődésének kezdeti szakaszában még nem látszott, hogy melyik átalakító típus fog elterjedni. Azonban ma már látszik, hogy a feszültséginverterek kiszorították az áraminvertereket. Ma már a korszerű frekvenciaváltókban feszültséginvertereket használnak motor oldali áramirányítóként. Aszinkron motoroknak két fajtája ismert: a rövidrezárt forgórészű, illetve a csúszógyűrűs változat. Ez utóbbit szokták kétoldalról táplált aszinkron motorként alkalmazni, ahol a frekvenciaváltót a hálózat és a csúszógyűrűkön kivezetett forgórész közé építik be, míg az állórész tekercseit közvetlenül a hálózatra kapcsolják. A megoldás előnye, hogy kisebb teljesítményre kell méretezni a teljesítmény elektronikát [3]. Szélgenerátorok hajtásrendszerében szoktak ilyen megoldásokat alkalmazni [4]. A leginkább elterjedt forgógép típus a rövidrezárt forgórészű aszinkron gép (más néven: indukciós gép). Ezeknél a forgórész vezetői nincsenek kivezetve, hanem rövidre vannak zárva. Ha megfelelő feszültségre méretezték, akkor akár átalakító nélkül is kapcsolhatók a hálózatra. lyen gépeket használnak közvetlen hálózatra kapcsolva, vagy indítóáramuk csökkentése érdekében beiktatott eszközökkel kiegészítve, vagy vezérelt/szabályozott üzemben frekvenciaváltóval ellátva. Állandómágneses szinkron gép működtetése esetén viszont mindenképpen szükség van frekvenciaváltó alkalmazására, közvetlenül a hálózatra kapcsolva nem üzemeltethetők, illetve hálózatról közvetlenül nem indíthatók. Ennek a típusnak két fajtája ismert, a mezőeloszlásuk szerint megkülönböztetünk szinuszmezős és négyszögmezős gépeket. Jobb hatásfokkal rendelkeznek, mint az aszinkron gépek, villamos szervo hajtások jelentős része 11

22 ilyen motorokkal van ellátva, de más alkalmazásokban is kezdenek elterjedni, például szélerőmű generátoraként. A fejezetben bemutatott frekvenciaváltós hajtástípusok közül valamennyire van példa járműves alkalmazásoknál is. Egyenfeszültségű hálózatra kapcsolódnak a városi tömegközlekedés villamos hajtású járművei (villamos, trolibusz, metró), sőt egyes országokban a nagyvasúti járművek is. Egyenfeszültségű táplálásnak tekinthetők a villamos járművek által magukkal vitt, időszakosan töltött energiatároló egységek. Ezek közül a legismertebbek az akkumulátorok, lendkerekes energiatárolók, tüzelőanyagcellák vagy ultrakapacitás modulok. Napjainkban az akkumulátoros hajtásrendszerek terjednek el, de folyamatban vannak kutatások egyéb energiatárolók beiktatására, vagy több különböző energiatároló együttes alkalmazására. A járműhajtásoknál is egyes esetekben a motor oldali áramirányító eszközök közvetlenül kapcsolódnak az energiatároló egyenfeszültségű rendszerére. Jó példa erre a Toyota, az első generációs hibrid autóiban az állandómágneses motorjainak hajtására használt motor oldali áramirányítói közvetlenül a 88V-os akkumulátoros egyenfeszültségű energiaforráshoz kapcsolódtak. Ezzel szemben az újabb típusokban már egy kétirányú energiaáramlást lehetővé tevő feszültség növelő és csökkentő kapcsolást alkalmaznak, amely kapcsolatot biztosít az akkumulátor és a nagyobb feszültségen üzemelő egyenfeszültségű rendszer között [5]. Ez lehetővé teszi nagyobb teljesítményű villamos motor, vagy több fogyasztó az egyenfeszültségű rendszerre történő kapcsolódását. A villamosított vasútvonalaknál elterjedtek a váltakozó- és egyenfeszültségű táplálási rendszerek is. Hazánkban az 50 Hz-es váltakozó feszültségű hálózatról történik a vasúti táplálás, ezért a soros gerjesztésű egyenáramú motoros mozdonyok is tartalmaznak hálózatoldali átalakító egységet, amely egyenfeszültséget állít elő a mozdony motorjai számára. Korszerű hálózatoldali áramirányító egységek részletes ismertetésével a alfejezet foglalkozik. A motor oldali áramirányítók tekintetében járművekben is alkalmaznak áraminverteres és feszültséginverteres hajtásokat. Áraminverteres hajtásra példa a tirisztoros elemeket tartalmazó BDV motorvonat. A járműhajtásoknál is megfigyelhető, hogy mára már egyeduralkodóvá váltak a feszültséginverteres hajtások. A korszerűbb trolibuszok, villamosok, és mozdonyok is feszültséginverter kapcsolású motoroldali áramirányító eszközöket tartalmaznak, [6], [7]. Jellemzően kétszintű invertereket alkalmaznak, azonban egyes mozdonyokban háromszintű feszültséginvertreket építenek. Rövidrezárt forgórészű aszinkron és állandómágneses szinkron motorral hajtott járművek egyaránt használatban vannak. Aszinkron motoros rendszerrel egyszerűbb megvalósítani a mezőgyengítéses üzemet, 1

23 amelyet járművek üzemi tartományának kibővítésére széles körben alkalmaznak. Ma még az állandómágneses motorokat csak maximum 100 kw-os teljesítményű járművekben használnak, de folyamatban vannak fejlesztések ennél nagyobb teljesítményű járműves alkalmazásokhoz is Korszerű váltakozó feszültségű hálózatra kapcsolt hálózat oldali áramirányítók Az alfejezet a teljesség igénye nélkül bemutat néhány érdekes példát korszerű hálózat oldali áramirányítókra vonatkozóan, illetve kitér a leggyakrabban alkalmazott megoldásokra Vasúti alkalmazások korszerű hálózat oldali áramirányítói Tekintsünk két konkrét példát korszerű frekvenciaváltós aszinkron motoros hajtásrendszerrel felszerelt járműre. A 3-. ábra két közbülső egyenfeszültségű körös frekvenciaváltóval ellátott mozdony főüzemének egyszerűsített áramköri rajzát mutatja. A bal oldali ábra egy kétmotoros, kisebb teljesítményű mozdony vagy motorvonat főüzemét mutatja. Két hálózatoldali áramirányító táplál egy egyenfeszültségű sínt, amelyre egy kétszintű feszültséginverter kapcsolódik, és az egy rövidrezárt forgórészű aszinkron vontatómotort táplál. A jármű főtranszformátorához egy ugyan ilyen modul kapcsolódik, ami a másik vontatómotort táplálja. Az áramkör GBT kapcsolóelemeket tartalmaz, amelyek ekkora teljesítményen (~1...3MW) néhány kilohertzes kapcsolási frekvenciás működtetést tesznek lehetővé. A b.) ábra a MÁV 1047-es sorozatú Siemens EuroSprinter ES64 mozdony főüzemi egyszerűsített kapcsolási rajzát mutatja [8], [6]. tt három hálózatoldali áramirányító táplál egy egyenfeszültségű kört, amelyre két feszültséginverteren keresztül kapcsolódnak a vontatómotorok. Ez a frekvenciaváltó kerül megduplázásra, így összesen négy motor hajtja a mozdonyt. Az áramirányítók GTO-s kapcsolóelemeket tartalmaznak, amelyek maximum 1kHz-es kapcsolási frekvenciát tesznek lehetővé. A Siemens mozdonynál bemutatott felépítést követik a napjainkban készülő legkorszerűbb mozdonyok. Erre példa az Alstom által gyártott TGV vasút is. Megjegyzendő, hogy az első TGV gyorsvasútba tirisztoros kényszerkommutációs egyenirányítóval és motor-oldali áramirányítóval rendelkező, gerjesztett forgórészű szinkron gépes hajtásrendszert építettek (TGV Atlantique). Ezt követő modellekbe már GTO-s motoroldali áramirányítóval táplált aszinkron motoros hajtásrendszert építettek, de még kényszerkommutációs hálózatoldali áramirányítót (TGV Eurostar) [9]. Napjainkban azonban már a TGV is hasonló hajtásrendszerrel rendelkezik, mint a bemutatott Siemens mozdony, feszültséginverter kapcsolású motor- és hálózatoldali áramirányítót tartalmaz, de GBT-s félvezető elemek működtetik. Ezt a struktúrát követi a Bombardier is a TRAXX típusú mozdonyainál [S17]. 13

24 a.) b.) 3-. ábra Közbülső egyenfeszültségű körös frekvenciaváltót tartalmazó mozdonyhajtások a.) Egy motorvonat lehetséges hajtásrendszere, b.) Siemens ES64 főáramköri rajza Valamennyi típusnál egy inverter működtet egy motort, párhuzamosan kötött motorokat nagyteljesítményű mozdonyokban nem alkalmaznak, esetleg motorvonatokban [5]. A különbség az egyes felépítés típusok között az, hogy hány párhuzamosan kötött hálózatoldali áramirányítót alkalmaznak, és egy közbülső egyenfeszültségű körre hány motoroldali áramirányító csatlakozik. Többáramnemes mozdonyok egyen- és váltakozófeszültségű hálózatról is egyaránt üzemeltethetők, a hálózat oldali áramirányítójuk több funkciót is ellát [S17]: - ha a mozdony váltakozó feszültségű hálózatról üzemel, akkor egyenirányító vagy váltóirányító üzemben működik, - ha 1500 V-os egyenfeszültségű hálózatról üzemel, akkor feszültségnövelő kapcsolásként, - ha 3000 V-os egyenfeszültségű hálózatról üzemel, akkor feszültségcsökkentő kapcsolásként működik. Példaképpen a négyáramnemes TRAXX mozdony hálózati áramirányítója különböző feszültség szintű egyen és váltakozó feszültségű rendszert tud illeszteni a frekvenciaváltójának kb 300 V-os közbülső egyenfeszültségű köréhez [S17]. Összességében elmondható, hogy korszerű mozdonyok főüzemi áramköre négynegyedes hídkapcsolású feszültség inverter kapcsolású hálózat oldali áramirányítókat tartalmaz, eltérés a hálózat- és motoroldali áramirányítók számában is funkcióiban mutatkozik. 14

25 Hálózatbarát rendszerek hálózat oldali áramirányítói A vasúti alkalmazásoknál bemutatott, egymáshoz hasonló felépítésű áramirányítókkal ellentétben, ipari hálózatra kapcsolt hálózatbarát rendszerek felépítésének számos különböző típusa létezik. A hálózatbarát áramirányítós hajtásokat két csoportra oszthatjuk, közbülső egyenfeszültségű vagy egyenáramú körrel rendelkező hajtásokra, illetve közvetlen átalakítókra. Ez utóbbira példa számos mátrix konverter topológia, vagy rezonáns inverterek [30]. Azonban megállapítható, hogy napjainkban a közbülső egyenfeszültségű vagy egyenáramú körös átalakító kapcsolások terjedtek el. A legegyszerűbb hálózatbarát áramirányító kapcsolásban egy diódás egyenirányító egység kapcsolódik a váltakozó feszültségű hálózatra. Az egyenirányító egyenfeszültségű oldalára beépítenek egy fojtó tekercset valamint egy kapcsolóelemet, amelynek megfelelő vezérlésével az áramirányító hálózatbarát tulajdonsággal ruházható fel, azonban a hálózatból csak teljesítmény felvételre képesek [31] [3]. Számos szakcikk foglalkozik különböző felépítésű közbülső egyenkörös átalakítókkal. Példaképpen említhetjük a bécsi egyetemi professzorok, Johan W Kolar és Franz C. Zach szerzőpáros számos újfajta hálózat oldali áramirányítót talált fel, és publikált. Az áramirányítóik különböző felépítésűek, de mindegyik célja a kapcsolható félvezetőelemek csökkentése, azzal együtt, hogy diódás félvezető elemek száma megnövekszik a körben [33]. Talán legismertebb találmányuk az úgynevezett Vienna egyenirányító [34]. PV inverterekhez kapcsolódó áramirányítók közül is több különböző felépítésű készült az egyenfeszültséget szolgáltató napelem cellák és a váltakozó feszültségű hálózat illesztésére [35]. Hálózatbarát tulajdonsággal rendelkező, váltóirányító üzemet is lehetővé tevő hálózatoldali áramirányítók közül napjainkban a legelterjedtebbek a kétszintű feszültséginverter kapcsolású áramirányítók. Ezért a szimulációim számára is ezt a rendszert modelleztem Váltakozó feszültségű hálózatra kapcsolódó hálózatoldali áramirányítók Váltakozó feszültségű hálózatra kapcsolódó frekvenciaváltók hálózatoldali áramirányító egysége lehet egyirányú teljesítményáramlást lehetővé tevő diódás egyenirányító, vagy félvezető kapcsolóelemeket tartalmazó, a váltakozó feszültségű hálózat és az egyenáramú vagy egyenfeszültségű kör között kétirányú energiaáramlást lehetővé tevő áramirányító. A hálózatoldali áramirányítókat osztályozhatjuk annak megfelelően, hogy melyik síknegyedben tudnak működni a hatásos teljesítmény meddő teljesítmény síkon ( 3-3. ábra) ábra: P-Q síknegyedek 15

26 Hatásos teljesítményre vonatkozóan fogyasztói pozitív irányt alkalmaztam, azaz az áramirányító egyenirányító üzemben pozitív teljesítményt vesz fel a hálózatból, míg váltóirányító üzemében negatív irányú teljesítményt táplál vissza. Meddő teljesítményre vonatkozóan kapacitív üzemben megvalósuló pozitív, míg induktív üzemben negatív meddő teljesítmény irányt alkalmaztam. A legtöbb frekvenciaváltó diódás hálózatoldali áramirányító egységet tartalmaz, ezek hatásos és meddő teljesítményre nézve is fogyasztóként viselkednek, ezért egynegyedes átalakítóknak tekinthetők, mivel az. síknegyedben működnek. Azok a PV inverterek, amelyek hálózatba hatásos teljesítményt táplálnak vissza, de felvételre nem képesek, azonban vezérlés oldalról változtatható a meddő teljesítményük, kétnegyedesnek tekinthetők, mivel a. és a. síknegyedben is tudnak üzemelni [36]. N égyn egyed es hálózatoldali áramirányítóknak nevezzük azokat az átalakítókat, amelyek képesek mind a négy síknegyedben működni, azaz a váltakozó feszültségű hálózatra nézve lehetővé tesznek hatásos teljesítmény felvételt és visszatáplálást, illetve képesek meddő teljesítmény kompenzációra, azaz kapacitív és induktív üzemre is. A hálózatoldali áramirányítók a hatásos teljesítményáramlásra nézve az alábbi üzemmódokban működhetnek. A üzemmódoknak megfelelő energiaáramlási irányokat szemléltetik a 3-. ábra nyilai is. - Egyenirányító üzem: A hajtás a hálózatból vesz fel teljesítményt, amely a hálózatoldali áramirányítón keresztül áramlik az egyenfeszültségű kör felé. Ekkor a hálózatoldali áramirányító egyenirányítóként üzemel. Például a frekvenciaváltóhoz kapcsolódó villamos gépek motoros üzemében jön létre ez az üzemállapot. - Váltóirányító üzem: A hajtás a hálózatba táplál vissza teljesítményt, amely az egyenfeszültségű kör felől a hálózatoldali áramirányítón keresztül áramlik a váltakozó feszültségű hálózat felé. Ekkor a hálózatoldali áramirányító váltóirányítóként üzemel. Például a frekvenciaváltóhoz kapcsolódó villamos gépek generátoros féküzemében jön létre ez az üzemállapot. A hajtásrendszer h á lózat barát üzemmel rendelkező hálózatoldali áramirányítóval van ellátva akkor lehetőleg az alábbi kritériumok mindegyikének meg kell felelnie: - A hajtás tudja a fékezésre felhasznált energiájának minél nagyobb részét a hálózat felé visszatáplálni. Így megfelelő minőségű villamos fékezés biztosítható. - A legjobb hatásfok elérése érdekében a hajtás a működéséhez szükséges alapharmonikus teljesítményt minél kisebb amplitúdójú alapharmonikus árammal és minél jobb 16

27 fázistényezővel veszi fel. lletve visszatáplálás esetén az alapharmonikus teljesítményt minél nagyobb amplitúdóval és minél jobb fázistényezővel táplálja vissza. - Ne terhelje felharmonikusokkal a hálózatot. Lehetőség szerint a hálózat oldali áramirányító vegyen részt a harmonikusok kompenzálásában is egyenirányító és váltóirányító üzemében egyaránt. - Négynegyedes üzemmel rendelkezik, úgyhogy képes hatásos teljesítmény felvételére és visszatáplálására, valamint megvalósítható vele hálózati meddő teljesítmény kompenzálás is. 3. A kéttartományos szimulációs módszer bemutatása A kéttartományos szimulációs módszer kapcsolatot teremt a frekvenciatartománybeli illetve az időtartománybeli analízisek között. A módszerrel lehetőség van egy adott időpillanatban egy teljes hálózatot és arra kapcsolódó fogyasztók vagy villamos energia előállító egységek feszültség- és áramspektrumát vagy a fogyasztók hálózati visszahatását vizsgálni, a hálózat mentén különböző csatlakozási pontoknál: a hálózat tápellátási pontjánál, a fogyasztóitermelői kapcsokon, a tápszakasz végén, vagy egyéb kitüntetett csatlakozási pontokon. A szimulációs eljárással megvalósítható azonos hálózatra kapcsolódó több fogyasztó vagy villamos energia termelő egység együttes analízise. A módszer lehetőséget biztosít nemlineáris hálózatszennyező fogyasztók, valamint hálózatbarát fogyasztók és/vagy energia termelő egységek egymásra hatásának és hálózati visszahatásainak vizsgálatát. A módszer egyaránt alkalmazható egy- és háromfázisú közcélú vagy vasúti hálózatok vizsgálatára is. Az eljárás természetes iterációs folyamatként működik. Megjegyzendő, hogy labilis munkapontok vizsgálatára nem alkalmas az eljárás, csak konvergens folyamatok analízisére alkalmazható. A kéttartományos szimulációs módszer működése frekvenciatartománybeli és időtartománybeli modellek közötti iterációs eljáráson alapul, amelyet a 3-4. ábra szemléltet [7]. Az f1, f, f3 indexszel jelölt fogyasztók és termelők jellemezhetők az alábbi paraméterekkel: - Feszültségekre vonatkozóan: kapcsaikon lévő alapharmonikus feszültség amplitúdójával: fj1 és fázisszögével: φ fju1 (j=1, z, ahol z a vizsgált hálózatra kapcsolódó fogyasztók száma) kapcsaikon lévő felharmonikus feszültségek amplitúdójával: fjν és fázisszögével: φ fjuν (ν=,3, : a vizsgált harmonikusok rendszáma) 17

28 3-4 ábrán az fj jelölések tartalmazzák az alapharmonikus és a felharmonikus feszültség amplitúdókat és fázisszögeket. - Áramaikra vonatkozóan: fogyasztók és termelők által felvett/leadott áram amplitúdójával: fj1 és fázisszögével: φ fji1 fogyasztók és termelők által felvett/leadott felharmonikus áram amplitúdójával: fjν és fázisszögével: φ fjiν 3-4. ábrán az fj jelölések tartalmazzák az alapharmonikus és a felharmonikus áram amplitúdókat és fázisszögeket. Zérusértékű fázisszöget (referencia irányt) a vizsgált hálózat betáplálási pontján lévő alapharmonikus feszültség fázisszöge határozza meg ábra: Kéttartományos szimulációs módszer működése 18

29 A kéttartományos szimulációs módszer menete: Kiindulás: Adott tápellátási szakasz vizsgálatakor a számításoknál kiindulásnak feltételezhetünk tisztán 50 Hz-es mögöttes hálózati táplálást. Ebben az esetben csak a vizsgált tápellátási szakaszra kapcsolódó egységek hálózati visszahatásait és egymásra hatását tudjuk analizálni. A modellel lehetőség van felharmonikusokkal torzított mögöttes hálózati táplálást is megvalósítani. Ezáltal figyelembe lehet venni a vizsgált hálózathoz kapcsolódó másik tápellátási szakaszon lévő nemlineáris fogyasztók hálózatszennyezését. lletve amennyiben állandónak tekinthetjük a vizsgált hálózaton lévő nemlineáris fogyasztók által okozott szennyezést, akkor egyszerűsíthetjük a modellezést azzal, hogy felharmonikusokkal torzított tápfeszültséget tételezünk fel 0. lépés: A szimuláció indításakor a 0. lépésben meg kell határozni a vizsgált hálózatrészre kapcsolódó fogyasztói eszközök fogyasztás és termelés szerinti elhelyezkedését a leképzett hálózatrész csatlakozási pontjai szerint (x f1,f,f3 ). Ezeket először egy rájuk jellemző impedanciával kell helyettesíteni (Z f1,f,f3 ). A kalkulált impedanciákat a leképezett hálózat modelljébe behelyettesítve meg lehet határozni az adott egységek csatlakozási pontjaira jutó feszültségek spektrumát ( f1,f,f3 ). A spektrum alapján létrehozhatók olyan időfüggvények, amelyeket a meghatározott impedanciával figyelembe vett egységek kapcsain feltételezünk. Ezt követően az időtartományban implementált egységek modelljeivel lefuttatott szimulációval megkaphatjuk, hogy az egyes egységek a csatlakozási pontjaikon feltételezett feszültségre milyen áramválaszt adnak, azaz a kapcsaikon milyen áramot kényszerítenek ki a hálózatból. Ezekből az áram időfüggvényekből képzett áramspektrumok lesznek a következő ciklus bemenő paraméterei. n. lépés: A leképezett, vizsgált hálózatra kapcsolódó egységek által az előző lépés eredményeként szolgáltatott áram spektrumuk kerül behelyettesítésre a hálózat frekvenciafüggő modelljébe. Ennek hatására a vizsgált hálózati modell szimulációjának lefuttatásával meghatározzuk az adott egységek csatlakozási pontjaira jutó feszültségek spektrumait. Ezt követően a feszültség spektrumokat összehasonlítjuk az előző ciklus eredményével, és ha az eredmények egy előre meghatározott ε hibasávon kívül esnek, akkor folytatjuk a számítást a 0. lépésben bemutatott módszer szerint a feszültség-spektrumokból képzett 19

30 időfüggvényekre adott áramválaszok számításával. Ha az előző lépésben kapott feszültség spektrumok és az adott lépés eredményei a hibasávon belül esnek, akkor jutunk a szimuláció végeredményéhez. A szimuláció eredménye az egyes fogyasztók áram és/vagy feszültség spektruma. Ezért e disszertációban megjelenített kéttartományos szimulációs módszer időfüggvényei az eredményül kapott spektrumból lettek összeállítva. ε értelmezése: Meghatározhatjuk az n. és az n-1. lépésben a fogyasztók alapharmonikus és felharmonikus feszültség amplitúdóinak eltérésének abszolút értékeit. ampl max fj1 [n] fj1 gyan ezt elvégezhetjük a szögekre nézve: szog max fju1 [n] fju1 [n 1], fj [n] fj [n 1] (j=1, z, és ν=,3 ) [n 1], fju [n] fju [n 1] A fenti mennyiségek felhasználásával képezhető az ε maximális eltérés: max ampl, szog A vizsgálatok során ε < 0.01 feltétel teljesülése esetén lett vége az iterációs folyamatnak. A kéttartományos szimulációs vizsgálatokat együtt végeztem kollégámmal, Dr. Kiss Péter adjunktus úrral. Én a 3-4. ábra zölddel jelölt blokk hálózatbarát tulajdonsággal ellátott egységeit valósítottam meg. Feladatom volt a diagramon látható hálózatra kapcsolódó fogyasztók és termelők modelljei blokk eddig nem alkalmazott, korszerű hajtásrendszerek hálózati visszahatásait vizsgáló változatait elkészíteni. Ezért egy- és háromfázisú hálózatbarát frekvenciaváltós hajtások hálózati visszahatásainak vizsgálata céljából több modellt építettem, amit a következő fejezetek részleteznek. 3.3 Korszerű frekvenciaváltós hajtásrendszer szimulációs modellje A szimulációs programok áttekintése A tervezők számára egyre több szimulációs program áll rendelkezésre, amelyekkel elektronikus, elektromos vagy villamos rendszereket lehet leképezni. Az alkalmazásspecifikus programok mellett általános felhasználásra kétfajta, különböző elvek alapján működő programcsomag terjedt el a villamosmérnökök körében. Az egyikkel áramköri 0

31 elemekből lehet felépíteni elektronikus rendszereket, ilyen például a PSpice vagy az eplan. Ezeknek hátrányuk, hogy szabályozó köröket nehezen lehet implementálni a modellekhez. A másik típusú programcsomagot alapvetően matematikai egyenletrendszerek megoldásához fejlesztették ki, de olyan modulokat is tartalmaznak, amelyek segítik a mérnöki tervezést, a legismertebbek a Mathematica, Mathcad és a Matlab. Ezek közül a Matlab tartalmaz olyan kiegészítő egységeket, amellyel blokkdiagramszerűen lehet áramköri elemeket és szabályozó köröket együttesen vizsgálni. Az időtartománybeli szimulációs vizsgálatokhoz ezért esett a választás a tanszékünkön elérhető Matlab 6.5-ös verziójára, amelynek a Simulink alrendszerében modelleztem a vizsgált kapcsolásokat és hajtásokat Alkalmazott módszer kiválasztásának szempontjai és sajátosságai Egyre szélesebb körben alkalmaznak szimulációs eljárásoknál olyan komplex, előre megépített modelleket, amelyeket a szimulációs programokhoz lehet megvásárolni. lyen például a Matlab Simulink környezetében a SimPowerSystems Toolbox, amelyben előre megépített áramköri elemeket, teljesítményelektronikai eszközöket, motorokat, és különböző hajtás rendszereket találunk. Ezeknek a használata megkönnyíti a modellezési eljárást, azonban az alábbi problémákat veti fel: - Legtöbb beépített modell esetén a felhasználó csak bizonyos mélységig ismerkedhet meg a modell alapjaival. Ezért sokszor nem látszik, hogy az adott modell pontosan milyen részeket tartalmaz, hogy a fejlesztők milyen megfontolások alapján modellezték le az adott rendszert, és milyen egyszerűsítéseket tettek. - Nem támogatja a viszonylagos egységes tárgyalásmódot. gen nehézkesen valósíthatók meg viszonylagos egységekből felépített rendszerek. - Az alap szoftver mellé igen költséges a kiegészítő modulok beszerzése. A fenti megfontolások miatt döntöttem úgy, hogy kizárólag az alap szimulációs részt felhasználva, kiegészítő modulok (Toolbox-ok) igénybevétele nélkül építem fel modelljeimet, a vizsgált rendszert leíró differenciál egyenletek alapján viszonylagos egységekben. Modellezésre került egy- és háromfázisú négynegyedes hídkapcsolású hálózatoldali áramirányító, valamint kétszintű feszültséginverterrel táplált állandómágneses szinkron és rövidrezárt forgórészű aszinkron gép. A háromfázisú kapcsolásokat Park-vektorosan vizsgáltam. A frekvenciaváltó hálózati- és motor oldali egységeit tetszőlegesen lehet kombinálni a vizsgálatok céljára, ezt szemlélteti a 3-5. ábra, amely az egyes részegységek egyszerűsített diagramját mutatja. 1

32 3-5. ábra: Moduláris felépítésű feszültséginverteres frekvenciaváltós hajtások modelljei Vizsgáltam olyan eseteket, amikor a váltakozó feszültségű hálózatra csak egy transzformátoron keresztül kapcsolódik a frekvenciaváltó. Ekkor a transzformátort csak egy soros R-L körrel helyettesítettem. Analizáltam olyan eseteket is, amikor a széles körben alkalmazott T típusú L-C-L szűrőt iktattam be a hálózat és a hálózatoldali áramirányító közé [37]. Az áramirányító modelljénél ideális kapcsolóelemeket feltételeztem, azaz elhanyagoltam például a be- és kikapcsolási időket, a kapcsolási késleltetéseket, a félvezető eszközök nyitóirányú feszültségesését és a szivárgási áramát. Ezek figyelembe vétele a szimulációs idő megnövekedésével járt volna, és a hálózati visszahatás vizsgálatára elegendőnek bizonyult az egyszerűsített modell. Az egyfázisú hálózatra kötött frekvenciaváltó modelljénél a közbülső egyenfeszültségű körbe beiktattam a hálózati feszültség alapharmonikus frekvenciájának kétszeresére (természetes egységekben: 100 Hz-re) hangolt soros R-L-C szűrőt. Nagy teljesítményű hajtásoknál jellemzően mozdonyokban széles körben alkalmaznak ilyen megoldást az egyenfeszültség lüktetésének csökkentése érdekében [6]. Háromfázisú hálózatra kapcsolt frekvenciaváltóknál nem alkalmaznak ilyen megoldásokat. A motor oldali áramirányítókat és a hálózatoldali áramirányítókat lehet külön is vizsgálni. Így a modellem alapján lehetne egyenfeszültségről táplált motor oldali áramirányítóval rendelkező hajtást is szimulálni, azonban erre a disszertációm nem tér ki. lletve megvalósítható külön a hálózatoldali áramirányító analízise, amit a PV inverterek hálózati visszahatásainak vizsgálatánál fogok felhasználni. A motor- és hálózatoldali áramirányítók működtetésére

33 SZM modulátoros és hiszterézises vezérlőket alkalmaznak a gyakorlatban. A hiszterézises vezérlő előnye, hogy egyszerűen lehet megvalósítani analóg és digitális környezetben egyaránt, azonban hátrányuk, hogy a félvezető elemek kapcsolási frekvenciája nem tartható kézben. Ez komoly problémát okozhat alacsony kapcsolási frekvenciát lehetővé tevő, nagy teljesítményű környezetben. A modellek felépítésénél ezért az SZM modulátoros megoldást választottam, amelynek alkalmazásával a kapcsolási frekvencia a vezérlő által meghatározott módon pontosan kézben tartható Viszonylagos egységek alkalmazása Az áramkör paraméterei viszonylagos egységekbe átszámítva könnyen értelmezhető eredményeket adnak. Így egyes hajtásrendszerek tulajdonságait könnyebben lehet összehasonlítani. Ráadásul előnyös tulajdonsága, hogy viszonylagos egységekben a mennyiségek dimenzió nélküliek. A hajtásrendszerek egyes tulajdonságai jól becsülhetőek, ha a hajtásrendszer paraméterei viszonylagos egységekben állnak rendelkezésre. Az átszámításhoz a viszonylagos egységek alapjait meg kell határozni. Alapmennyiségnek a hajtás egyes névleges értékeit választják. Váltakozó feszültségről táplált frekvenciaváltós hajtások esetén alapmennyiségként használhatjuk a hálózatoldali, vagy a motoroldali névleges értékeket. A modellezéshez felhasznált összefüggéseket az 1. Melléklet tartalmazza. Abban az esetben, amikor teljes frekvenciaváltós hajtásrendszert modelleztem, a modellek felépítésekor motor értékeit vettem alapul. Amikor csak a hálózatoldali áramirányítót vizsgáltam (áramgenerátoros terheléssel), akkor a hálózat oldali értékeket vettem alapul. Azoknál a szimulációknál, amelyeknél azt feltételeztem, hogy a frekvenciaváltó és a hálózat között transzformátor helyezkedik el, a feszültség és áram alapmennyiségeket áttranszformáltam a transzformátor szekunder oldalára. A szimulációs eredmények ismertetésekor mutatom be, hogy a modellépítés során milyen értékeket alkalmaztam. A modellekkel lehetőség nyílik az általam alkalmazott paraméterektől eltérő értékekkel is vizsgálatokat folytatni Hálózatoldali áramirányító modellje Az egyfázisú és a háromfázisú hálózatoldali áramirányítók erősáramú körének egyszerűsített áramköri rajzát mutatja a 3-6. ábra és a 3-7. ábra. A rajzok tartalmazzák a bemeneti egységek modelljét is: a transzformátor vagy szűrő modelleket. Az erősáramú kör modelljei a hálózatra felírható differenciálegyenletek alapján épülnek fel. 3

34 3-6. ábra: Háromfázisú hálózatra kapcsolódó négynegyedes hídkapcsolású hálózatoldali áramirányító modellje 3-7. ábra: Egyfázisú hálózatra kapcsolódó négynegyedes hídkapcsolású hálózatoldali áramirányító modellje (egyenirányító üzemi áramirányokkal) Egyfázisú (1F) és háromfázisú (3F) áramirányítók erősáramú körének modellje Az alábbi összefüggéseket lehet felírni a hálózatoldali áramirányítóra vonatkozóan. Az egyenletekben viszonylagos egységek szerepelnek. 1. A hálózat oldalra felírható egyenletek közül a bal oldali oszlop az egyfázisú hálózatra kapcsolt áramirányító egyenleteit mutatja, míg a jobb oldali oszlop a háromfázisú hálózatra kapcsolt hálózatoldali áramirányítóra felírható egyenleteket Park vektoros alakban. 4

35 a.) ha csak transzformátor vagy fojtótekercs kapcsolódik a frekvenciaváltó és a hálózat közé: u h dih (t) dih (t) (t) R Tri h (t) LTr ui (t) uh (t) RTrih (t) LTr ui (t) dt dt ih(t) ii(t) ih (t) ii (t) b.) ha L-C-L szűrő kapcsolódik a hálózat és a frekvenciaváltó közé u h dih (t) dih (t) (t) LSZ1 ucsz (t) uh (t) LSZ1 ucsz (t) dt dt i (t) i (t) i (t) i (t) i (t) i (t) h CSZ i h CSZ i icsz (t) C SZ ducsz (t) dt icsz (t) C SZ du CSZ (t) dt u (t) u i CSZ (t) L SZ dii (t) dt u (t) u i CSZ (t) L SZ dii (t) dt. Az áramirányító két oldala közötti teljesítményekre felírható egyenlet (veszteségek elhanyagolásával) egyfázisú és háromfázisú esetre nézve: 1F: p (t) p (t) u (t) i (t) u (t) i (t) i DC i i DC 3F: pi (t) pdc(t) ui (t) ii (t) udc(t) idc(t) 3 3. A közbülső egyenfeszültségű kör áramára felírható összefüggés (3F esetben i F (t)=0): i DC (t) i C (t) i (t) i F DCl (t) 4. Simító kondenzátorra felírható összefüggés: ic(t) dudc(t) C dt Hz-es szűrő egyenletei (csak 1F-nél): DC u DC (t) R i (t) L F F F dif(t) u dt F (t) és if(t) C F duf(t) dt A modellezett hálózati áramirányítók feszültséginverter kapcsolásúak. Az egyfázisú hálózatra kapcsolt áramirányító ellenütemű vezérlést alkalmazva két különböző feszültség szintet tud kiadni a váltakozó feszültségű oldalára (+u DC ; -u DC ), míg alternatív vezérlést alkalmazva három különböző feszültségszintet képes kiadni (+u DC ; -u DC ; 0). A háromfázisú hálózatra kapcsolódó kétszintű feszültséginverter kapcsolású áramirányítók hét különböző kapcsolási állapotot tudnak megvalósítani, attól függően, hogy a fázisokat a pozitív (P) vagy a negatív 5

36 (N) sín közül melyikre kapcsoljuk. Az állapotokhoz egy-egy feszültség Park vektort lehet rendelni. A különböző kapcsolási állapotokat és a hozzájuk tartozó Park vektorokat a 3-8. ábra mutatja be ábra: Kétszintű feszültséginverter által kiadható feszültség vektorok Szabályozó kör felépítése Ahhoz, hogy a alfejezetben bemutatott hálózatbarát tulajdonsággal rendelkezzen a hálózatoldali áramirányító, megfelelő szabályozó körrel kell ellátni. Az egy- és háromfázisú hálózatra kapcsolt hálózatoldali áramirányító szabályozó körének modellje a széles körben alkalmazott felépítést követi [3] [6] [38]. Kéthurkú, alárendelt struktúrájú, külső egyenfeszültség szabályozónak van alárendelve a hálózati áram szabályozója. A szabályozó körnek alapvető feladata az u DC egyenfeszültség szabályozása konstans DC_ref alapjel értékre úgy, hogy a hálózatból felvett i h áram megfelelő amplitúdójú és hullámalakú legyen. Valójában a külső egyenfeszültség szabályozó körnek egy hatásos teljesítmény szabályozó kört rendelünk alá, de csak áramszabályozást kell végezni, mivel a hálózati feszültség gyakorlatilag állandónak tekinthető ábra: 1F hálózatra kapcsolódó hálózatbarát hálózatoldali áramirányító szabályozó köre 6

37 Egyfázisú hálózatra kapcsolódó áramirányító kéthurkú szabályozója: (3-9. ábra) - A szabályozó körben az áram és feszültségszabályozók PD típusú szabályozók, amelyeknek az arányos és integráló hatását használjuk. A szabályozók kimeneti korláttal vannak ellátva, amelyek korlátozzák a szabályozó kimenetének maximumát és minimumát. A szabályozók telítésekor az integráló tag bemenetére zérus kerül, hogy megfelelően működjön a szabályozó a telítés után. Az egyenfeszültség szabályozó a szűrt egyenfeszültség hibajelből állítja elő a hálózati áram amplitúdójának alapjelét, amelyik egyenirányító üzemben pozitív, váltóirányító üzemben negatív előjelű. Az áramszabályozó a hálózati áram hibajelből képzi az SZM modulátor számára a vezérlő feszültséget. - Annak ellenére, hogy az erősáramú körbe beiktatnak szűrő egységet, a közbülső egyenfeszültségű kör feszültségének lüktetését nem lehet teljesen kiküszöbölni. Ezért ez a lüktetés megjelenik a szabályozó körben is. Ennek kiküszöbölése érdekében az egyenfeszültség szabályozó bemenetére kapcsolódik egy aluláteresztő szűrő, amely a közbülső egyenfeszültségű kör lüktetését csillapítja. A szűrő egységet el lehetne helyezni az u DC ellenőrző jel és a különbségképző egység közé, vagy a feszültségszabályozó kimenete után 100 Hz-es sávzáró szűrő formájában is. - Az áram alapjel képző egy szorzó egység, amely az egyenfeszültség szabályozó által meghatározott áram amplitúdó alapjelét szorozza össze a hullámalak meghatározó egység kimenetével, így állítja elő a hálózati áram alapjelének időfüggvényét. Korábbi munkáim során készült egy komplex áram alapjel fazort meghatározó egység, amellyel lehetőség volt alapharmonikus áram hatásos és meddő komponensét meghatározni. Azonban a későbbi munkák során a. és 3. tézis kapcsán már nem bizonyult elegendőnek az alapharmonikus áramot meghatározó alapjel képző. Ezért a hullámalak meghatározó egységnél lehet figyelembe venni az alapharmonikus áram fázisszögét, és ezzel előírni meddő komponenst. - A hullámalak meghatározó egység segítségével írhatjuk elő a megfelelő hullámalakot a hálózati áram számára. Az egységgel a 3. tézisben összehasonlításra kerülő három áramszabályozási stratégiának megfelelő áram-hullámalakot lehet meghatározni. A stratégiáknak megfelelő áramokhoz szükség van a hálózati feszültéség hullámalakjának, és annak alapharmonikusának ismeretére. A szimulációs idő csökkentése érdekében a hálózati feszültség alapharmonikusát egy szinusz generátorral vettem figyelembe, mivel a kéttartományos szimuláció során ismert az alapharmonikus amplitúdója, frekvenciája és fázisszöge is. 7

38 - SZM vezérlő állítja elő a megfelelő vezérlőjeleket az egyes kapcsolóelemek számára. A vezérlővel az alábbi működést lehet elérni alternatív és ellenütemű esetben (a 3-9. ábra csak az alternatív módszer analóg megvalósítását mutatja be): Alternatív: Ellenütemű: u i u DC ha u u DC ha u 0 egyébként vez vez 0 & u 0 & u vez vez u u u i u u DC DC ha ha u u vez vez u u ábra: 3F hálózatra kapcsolódó hálózatbarát hálózatoldali áramirányító szabályozó köre Háromfázisú hálózatra kapcsolódó áramirányító kéthurkú szabályozója: (3-10. ábra) - Az egyenfeszültségű szabályozó és a hálózati áram szabályozó működése megegyezik az egyfázisú hálózatoldali áramirányító szabályozó körénél bemutatott PD szabályozóéval. Háromfázisú hálózatra kapcsolt áramirányítóknál a közbülső egyenfeszültségű kör feszültséglüktetése jóval kisebb, mint az egyfázisú esetben, ezért itt nem kell alkalmazni sem a teljesítmény körben, sem a szabályozó körben egyenfeszültség szűrő egységet. - Számos szakirodalomban háromfázisú hálózatra kapcsolódó áramirányítót vektoros áram alapjel képző egységgel látják el a szabályozó kört [3], [39], [40], [41]. Ebben az esetben hálózati áramvektort határoz meg az alapjel képző, a vektor hatásos komponensét az egyenfeszültség szabályozó szabja meg. Ezzel szemben a modellemben egy egyszerűbb struktúrát építettem. Az áram alapjel képző itt is egy szorzó egység, amely a bemenetére érkező áram amplitúdó és adott fázisokhoz tartozó hullámalakok szorzatából állítja elő az áramszabályozók számára a fázisáramok alapjelét. 8

39 - A modellben háromfázisú SZM vezérlő került implementálásra, amely előállítja a megfelelő gyújtóimpulzusokat az egyes kapcsolóelemek számára. A vezérlővel az alábbi működést lehet elérni: u ia u u DC DC ha ha u u avez avez u u u ib u u DC DC ha ha u u bvez bvez u u u ic u u DC DC ha ha u u cvez cvez u u ábra: Hármomfázisú SZM vezérlő hullámformái A ábra szemlélteti a modellezett háromfázisú SZM modulátor által vezérelt feszültséginverter kapcsolású áramirányító hullámformáit. Az ábrán egy fázis hullámformája látható, másik két fázist vizsgálva ettől 10 -kal és 40 -kal eltolt jeleket kapnánk. Egy meghatározott u vivő jel kerül összehasonlításra az adott fázis vezérlő feszültségével (u avez -zel). Ha a vezérlő feszültség nagyobb, mint a vivőjel, akkor T1 kapcsolóelem bekapcsolt állapotba kerül (3-11. ábrán +1 szint), míg a vele azonos hídágban található T kikapcsolt állapotba. Ha a vezérlő feszültség kisebb, mint a vivőjel, akkor T1 kapcsolóelem kikapcsolt állapotba kerül (3-11. ábrán -1 szint), míg a vele azonos hídágban található T bekapcsolt állapotba. Ennek hatására az áramirányító váltakozó feszültségű oldalán az a fázisban + DC / és DC / között váltakozó u ia feszültség jelenik meg, aminek időfüggvényét az ábra alsó diagramja mutatja. Az egyes kapcsolási állapotok hétféle ui feszültség Park vektort eredményeznek. A ábra és a leírás analóg megoldást és ideális kommutációt feltételez. A valóságban digitális megoldások terjedtek el, és a kapcsolási holtidőket figyelembe kell venni Motor oldali áramirányítók és motorok modelljei A modellezett rövidrezárt forgórészű aszinkron motoros és az állandómágneses szinkron motoros hajtásrendszer elvi felépítését a 3-1. ábra szemlélteti. Mindkét esetben a motor oldali áramirányítónak háromfázisú, kétszintű feszültséginvertert feltételeztem. Napjainkban 9

40 ez a leggyakrabban alkalmazott kapcsolás szabályozott vagy vezérelt üzemet megvalósító aszinkron és szinkron motoros hajtásrendszerek esetén. A motor oldali áramirányítóként üzemelő kétszintű feszültséginverter működési elve megegyezik a alfejezetben bemutatott hálózatoldali áramirányító működésével. A hajtások szabályozott üzemű működtetését fordulatszám szabályozásnak alárendelt áramvektor szabályozó végzi. A szabályozó egység előír egy vezérlő feszültséget az SZM modulátor számára. A modellekben mező koordinátákban lévő áramszabályozás került megvalósításra, háromfázisú SZM vezérlővel. Ettől eltérő megoldásokat is használnak, SZM vezérlős áramvektor szabályozásra alkalmazhatnak térvektoros vezérlőket, és az áramszabályozást megvalósíthatják álló koordinátarendszerben is [3]. Azonban a frekvenciaváltós hajtás hálózati visszahatásainak vizsgálatához ez a megoldás elegendőnek bizonyult ábra: Rövidrezárt forgórészű aszinkron motoros és állandómágneses szinkron motoros hajtás erősáramú egyszerűsített ábrája Aszinkron motoros hajtásrendszer modellje és szabályozó köre A rövidrezárt forgórészű aszinkron motoros hajtásrendszer modelljének blokk diagramját a ábra mutatja. A motor működtetésére fordulatszám szabályozásnak alárendelt, rotorfluxus vektorhoz rögzített mezőorientált áramvektor szabályozással került megvalósításra. Az áramvektort a rotorfluxus vektorhoz rögzített koordinátarendszerben két komponense jellemzi: az α és β irányú komponens. Az α áramkomponens a gép fluxusával van összefüggésben, míg a β a gép nyomatékával arányos. Az áramszabályozó egység fölé rendelt szabályozó egységnek feladata ennek a két komponens alapjelének meghatározása. - Az α irányú komponenst a rotorfluxus szabályozó írja elő. A rotorfluxus szabályozó az alapjelként meghatározott rotorfluxus és a motormodell által számolt rotorfluxus érték alapján működik. A rotorfluxus alapjelét egy függvénygenerátor írja elő a fordulatszám függvényében, és ezen kívül lehetőség van optimális nyomatékszög megválásztására. 30

41 - A β irányú áramkomponenst a fordulatszám szabályozó által előírt nyomaték alapjelből lehet meghatározni, felhasználva a motor nyomatékára vonatkozó összefüggést (3-11c egyenlet). Rövidrezárt forgórészű aszinkron motornál nem lehet egyszerűen, egy pozíció jeladó segítségével meghatározni a rotorfluxus vektor pozícióját, amihez rögzítjük a szabályozás alapjául szolgáló koordinátarendszert. Ezért szabályozott üzemben működtetett valós aszinkron motoros hajtásoknál a feszültséginverter szabályozó- vezérlő körébe be kell építeni egy gépmodellt, amely a motort írja le. Ez az egység állítja elő a szabályozó rendszer számára a rotorfluxus vektor szögét és nagyságát. A gyakorlatban háromféle gépmodell terjedt el: a forgórész modell, az állórész modell és a kombinált modell. A forgórész modell a számításhoz felhasználja a motor áramok mért értékét, illetve a motor tengelyére szerelt fordulatszám jeladó (J) által mért jelet. Az állórész modell és a kombinált modell felhasználja a motor mért áramait és feszültségeit [3]. A megfelelő működéshez online, vagy offline paraméter identifikáció szükséges. Mivel az általam épített motor modell a gépet modellezi - amely előállítja a rotorfluxus megfelelő paramétereit - ezért nem kellett ettől független gépmodellt használni. Ezért a ábra szaggatott vonallal bekeretezett részei egy modellben kerültek megvalósításra. A modell bemenetére kapcsolódik a motor oldali áramirányító feszültsége, míg a modell kimenetei: motor fordulatszám ( ), motor α és β irányú áramkomponensei ( i és i ) rotorfluxus vektor szöge, nagysága, és szögsebessége (, r ). r, r ábra: Rövidrezárt forgórészű aszinkron motoros hajtásrendszer modellje 31

42 Motormodell felépítése A motormodell felépítésének ismertetéséhez induljunk ki a rövidrezárt forgórészű aszinkron gép tranziens helyettesítő kapcsolásából, amit ábra személetet: ábra: Rövidrezárt forgórészű aszinkron gép helyettesítő kapcsolása feszültségekre és fluxusokra nézve [4] Ahhoz, hogy az állórész és a forgórész természetes koordinátarendszerben leírt egyenleteit egy közös helyettesítő kapcsolásban tudjuk megjeleníteni, egy ω k szögsebességgel forgó közös koordináta rendszerbe kell áttranszformálni az állórészre és a forgórészre felírt egyenleteket. Ha ezt a közös koordináta rendszert ω ψr -rel forgó rotorfluxushoz rögzítjük, akkor a motor tranziens egyenletei a rotorfluxussal együtt forgó koordinátarendszerben leírva (ω k = ω ψr helyettesítéssel) a ábra alapján feszültségekre és fluxusokra nézve: ábra: Áramvektor mező Feszültségekre: Fluxusokra: koordinátarendszerben d u Ri j Li r r 3-1a,b dt u r dr R i j 0 L i i r r dt r r 3-a,b Ha 3-1b. egyenletet behelyettesítjük 3-1a-ba, akkor az alábbi eredményre jutunk: di d u Ri L dt dt r j Li j r m r r r 3-3 A rotorfluxus vektor amelyhez a közös koordinátarendszert rögzítettük - kijelöl egy α irányt. Meghatározhatunk az α-ra merőleges irányt, amely kijelöl egy β tengelyt. A motor egyes mennyiségeit meg lehet határozni az α-β koordináta-tengelyekre vett vetületükkel, azaz α és β komponensekre bonthatók. Ezt nevezzük mező koordinátarendszerben lévő felírásnak. Erre r 3

43 mutat példát a ábra, ahol az állórészáram vektora került felbontásra mező koordinátarendszerben. gyanígy a 3-a,b egyenletekben szereplő rotor feszültséget és rotor fluxust is fel lehet bontani α és β komponensekre. Ehhez bevezetjük a rotorköri szögsebességet (rotorfluxus forgórészhez képesti szögsebessége): ω r = ω ψr ω. Ezek alapján a 3-a,b egyenletek mező koordinátákkal felírva: d r : ur R rir dt 0 : ur Rrir rr 0 : L i i 0 L i i r m r 3-4a,b : 3-5a,b m r 3-4a,b egyenletek rendezésével kifejezhetők a rotoráram megfelelő komponensei: 1 d r : ir R dt r 0 r r : ir 3-6a,b Rr A 3-5a és 3-6a egyenletek alapján a rotorfluxusra az alábbi összefüggést lehet meghatározni (rotorköri üresjárási időállandó bevezetésével: T r0 = L m /R r ): T d dt L i r r r0 m 3-7 Meg lehet határozni a motor nyomaték vektorra vonatkozó általános összefüggéséből kiindulva a nyomaték előjeles skalár értékét. Zérus értékű lesz az i α komponens nyomatéka, ugyanis a rotorfluxus egyirányú i α -val, ebből következően a keresztszorzatuk zérus lesz: m i r i m r i r isin 3-8 gyanígy a 3-3 egyenletből kiindulva meghatározható az állórész feszültség α-β koordinátarendszerben: di dt d dt r : u Ri L r Li di : u Ri L Li dt r r r 3-9a,b A 3-9a,b egyenleteket elosztva az állórész ellenállással, és bevezetve a tranziens időállandót (T = L / R): u 1 d r : Ti r R R dt i di T dt u 1 di : Ti r i T r r 3-10a,b R R dt 33

44 A modell felhasználja a 3-5b. és 3-6b. egyenletek alapján meghatározható ω r -et; az 1. Mellékletben bemutatott mozgásegyenletet; valamint a 3-8 alapján meghatározott nyomatékra vonatkozó összefüggést: r ir r r, d m m dt T in t m r i 3-11a,b,c, A szimulációs környezetben az itt bemutatott egyenletek alapján építettem fel a rövidrezárt forgórészű aszinkron motor modelljét. Szabályozó körök felépítése A szimulációs környezetben megvalósított rövidrezárt forgórészű aszinkron motoros hajtásrendszer szabályozó köre a ábrán látható felépítést követi, a motor fordulatszám szabályozójának alárendelt áramvektor szabályozást valósítottam meg. A szabályozó kör az alábbi elemeket tartalmazza: - A fordulatszám szabályozó és a rotorfluxus szabályozó P típusú, a kimenetek korláttal vannak ellátva. Felépítésük és működésük megegyezik a 0. alfejezetben bemutatott szabályozóéval. A rotorfluxus szabályozó írja elő az α irányú fluxusképző áramkomponens alapjelét, míg a fordulatszám szabályozó kimenete szolgáltatja a nyomaték alapjelet, amely alapján előáll a β irányú nyomatékképző áramkomponens alapjele (i βref =m ref /ψ rref ). - Függvény generátor állítja elő a rotorfluxus alapjelét. Gyorsításkor nagy dinamika eléréséhez célszerű a névleges értéken tartani, mivel akkor kapjuk a legnagyobb nyomatékot, ha a motor névleges fluxussal üzemel. A hajtás fordulatszám tartományának kiterjesztése érdekében célszerű mezőgyengítést alkalmazni, ezt az üzemet a névleges fordulatszám felett érjük el a rotorfluxus csökkentésével. Ezeken kívül még érdemes egy ideális nyomatékszögnek megfelelő működési tartományt is megvalósítani, hogy a hajtás energiatakarékos üzemben is tudjon működni. A függvény generátor két rotorfluxus alapjelet számít: rref1 rn ha n n rn ha n rref Lm i tg Ezek kerülnek összehasonlításra. Az alap beállítás szerint ψ ref1 kerül a függvénygenerátor kimenetére, és ez által megvalósul a rotorfluxus névleges értéken tartása, illetve a ref opt 34

45 mezőgyengítéses üzem. Azonban, az energiatakarékos üzemet megvalósító ψ ref kerül a kimenetre, ha: - a hajtás nyomatékigénye menetüzemben és féküzemben is kisebb, mint a névleges érték ( m ref <1), - a motor forog (ω>0.1). Ezzel érjük el, hogy álló állapotban a névleges fluxus jusson a motorra, és ne az energiatakarékos üzemnek megfelelő csökkentett fluxus, - kisebb fluxust ír elő, mint ψ rref1 (ψ rref1 > ψ rref ). Azt feltételeztem, hogy az optimális nyomaték szög ( opt ) motoros és generátoros üzemben is ugyan akkora, ezért szerepel az összefüggésben i βref abszolút értéke. - Az áramszabályozók határozzák meg a vezérlő feszültséget a háromfázisú SZM modulátor számára. A szabályozók által mezőkoordináta rendszerben előírt jeleket keresztbecsatolással kompenzálni szokták. Ennek hátterében az áll, hogy a motor α és β irányú áramkomponenseinek előállításához kiszámolt feszültség komponensek függnek a másik áramtól is (3-10a,b egyenlet). Minőségi jellemzők javítását lehet elérni a kompenzációval. E nélkül is működik a hajtásrendszer, de rosszabb tulajdonságokkal. A kompenzált vezérlő feszültség vektor komponenseit koordináta transzformációval kell álló koordináta rendszerbe áttranszformálni, hogy működtetni tudja a háromfázisú SZM vezérlőt. - A motor oldali áramirányító kapcsolóelemeit működtető háromfázisú SZM vezérlő működése megegyezik a 0-ben bemutatott vezérlőjével Állandómágneses szinkron motoros hajtásrendszer modellje és szabályozó köre Az állandómágneses szinuszmezős szinkron motoros hajtásrendszer modelljének blokk diagramját a ábra szemlélteti. A motor működtetésére fordulatszám szabályozásnak alárendelt, pólusfluxus vektorhoz rögzített mezőorientált áramvektor szabályozással valósítottam meg. Az áramvektort a pólusfluxushoz rögzített koordinátarendszerben két komponense jellemzi: a d és q irányú komponens. Az d áramkomponenssel a gép fluxusát lehet gyengíteni, míg a q a hengeres gépnél a gép nyomatékával arányos. Az áramszabályozó egység fölé rendelt szabályozó egység feladata e két komponens alapjelének meghatározása ábra: Áramvektor forgó koordinátarendszerben

46 - A d irányú komponens normál tartományban zérus értékű, mezőgyengítéses üzemben pedig egy feszültségszabályozó írja elő. A feszültségszabályozó az alapjelként meghatározott a motor névleges feszültség és a kiadott feszültség vektor alapharmonikusának nagysága alapján működik. - A q irányú áramkomponenst a fordulatszám szabályozó írja elő. Állandómágneses szinkron gépnél a pólusfluxus vektor pozícióját egy pozíció jeladó segítségével meg lehet határozni, amihez rögzítjük a szabályozás alapjául szolgáló koordinátarendszert ábra: Állandómágneses szinkron motoros hajtás modellje Motormodell felépítése A motormodell felépítésének ismertetéséhez induljunk ki kiálló pólusú a szinuszmezős állandómágneses szinkron gép helyettesítő kapcsolásából, amit a ábra személetet pólusfluxus vektorral együtt forgó koordinátarendszerben (L d L q ). 36

47 3-18. ábra: Szinuszmezős állandómágneses szinkron gép helyettesítő kapcsolása feszültségekre és fluxusokra nézve [4] A helyettesítő képek alapján az alábbi egyenleteket lehet felírni: Feszültségekre: d Ri j dt Fluxusokra: L i jl i 3-1a,b u d d q q p Az egyenletek felbonthatók d és q irányú komponensekre (a beépített állandómágnesek miatt Ψ p =konstans feltételezéssel élve): d : u d d dt d q Rid q q : uq Riq d d 3-13a,b dt d: d Ldid p q: q Lqiq 3-14a,b ψ d -t és ψ q -t behelyettesítjük az u d -re, és u q -ra vonatkozó egyenletekbe: d : u d di dt di 3-15a,b dt d q Rid Ld Lqi q q : uq Riq Lq Ldi d p Ha az egyenleteket átrendezzük, és R-rel elosztjuk, majd bevezetjük a T d =L d /R és T q =L q /R hossz- és keresztirányú időállandókat: d : ud R T i q q i d T d did dt q : u q R p diq Td id iq Tq 3-16a,b R dt A szinuszmezős állandómágneses szinkron gép nyomatékára vonatkozó összefüggés, ha L d L q [4]: Természetes egységekben: Viszonylagos egységekben: m 3 p diq qid d q q d m i i 3-17a,b 3-17b egyenletbe behelyettesítjük 3-14a,b egyenleteket: m i p q L d Lq idiq

48 A modell felhasználja az 1. Mellékletben bemutatott mozgásegyenletet és a szögelfordulásra vonatkozó összefüggést is: d m m dt T in t d, dt 3-19a,b A szimulációs környezetben az itt bemutatott egyenletek alapján építettem fel a szinuszmezős állandómágneses forgórészű szinkron motor modelljét. Szabályozó körök felépítése A szimulációs környezetben megvalósított szinuszmezős állandómágneses forgórészű szinkron motoros hajtásrendszer szabályozó körének felépítése a ábra szerinti. A motor fordulatszám szabályozójának alárendelt áramvektor szabályozást valósítottam meg. A szabályozó kör az alábbi elemeket tartalmazza: - A fordulatszám szabályozó és a feszültségszabályozó P típusú, kimeneti korláttal vannak ellátva. Felépítésük és működésük megegyezik a alfejezetben bemutatott szabályozóéval. - Az áramszabályozók határozzák meg a vezérlő feszültséget a háromfázisú SZM modulátor számára. Hasonlóan, mint a rövidrezárt forgórészű aszinkron motoros esetben, a szabályozók által mezőkoordinátákkal előírt jeleket keresztbecsatolással kompenzálni szokták. A 3-16a,b egyenletekből látható, hogy ennél a motortípusnál is az áramkomponensek előállításához kiszámolt feszültség komponensek függnek a másik áramtól is. A kompenzáció beiktatásának a célja itt is a minőségi jellemzők javítása. Koordináta transzformációs blokk felhasználásával lehet elérni, hogy a vezérlő feszültség mező koordináta rendszerbeli komponenseit áttranszformáljuk a háromfázisú SZM vezérlő számára az álló háromfázisú koordinátarendszerbe. - A motor oldali áramirányító kapcsolóelemeit működtető háromfázisú SZM vezérlő működése megegyezik a ben bemutatott vezérlővel. 3.4 dőtartománybeli szimulációs eredmények Ebben a fejezetben bemutatom a szimulációs eredményeket ideális, szinuszos váltakozó feszültségű hálózatot feltételezve szemléltetem a rövidrezárt forgórészű aszinkron motoros és 38

49 a szinuszmezős állandómágneses szinkron motoros hajtásrendszerek működését. Az eredmények ismertetésénél az alábbi három lehetőséget vizsgálom: - a váltakozó feszültségű hálózatot, a hálózatoldali áramirányítót és az egyenfeszültségű kört egy ideális egyenfeszültség forrásként modelleztem, - a frekvenciaváltós hajtás hálózatoldali áramirányítója háromfázisú váltakozó feszültségű hálózatra kapcsolódik, - a frekvenciaváltós hajtás hálózatoldali áramirányítója egyfázisú váltakozó feszültségű hálózatra kapcsolódik. Az ábrák viszonylagos egységekben mutatják a szimulációs eredményeket. A hajtásrendszerek vizsgálatára egy gyorsítás, állandó sebességű üzem és lassítás folyamatot szimuláltam. Ezek folyamán a hajtás legfontosabb jellemzői analizálhatók. A szimulációs modellek működését egy-egy általam meghatározott paraméterekkel rendelkező hajtás bemutatásán keresztül ismertetem. A modellek alkalmasak más paraméterekkel rendelkező szinuszmezős állandó mágneses szinkron motoros vagy rövidrezárt forgórészű aszinkron motoros hajtásrendszerek szimulációs vizsgálatára is. A fejezet a motoroldali áramirányítók és a motorok szimulációs eredményeit ismerteti. A hálózatoldali áramirányítók viselkedését a 3.5. részletezi. A szimulációknál fordulatszámmal arányos terhelőnyomatékot feltételeztem (m t =0.ω) Rövidrezárt forgórészű aszinkron motoros hajtásrendszer szimulációs időtartománybeli eredményei A rövidrezárt forgórészű aszinkron motoros hajtás vizsgálatára készített szimulációban a motort a névleges fordulatszámának a 150%-ig gyorsítom fel. Így vizsgálható a normál- és mezőgyengítéses tartomány is. A szimulációs vizsgálatot öt szakaszra lehet bontani:. Rotorfluxus kialakítása: A motor indítása előtt fel kell építeni a rotorfluxust. Ezért ezen a tartományon belül a szimulációkban a nyomaték alapjel zérus értékű.. Gyorsítás névleges fordulatszámig normál üzemben: Ha a rotorfluxus felépült (amennyiben a szimulációban eléri a névleges érték 95%-át), akkor engedélyezésre kerül a nyomaték alapjel. A névleges szögsebesség eléréséig a hajtás maximális nyomatékkal gyorsít, ez alatt a fordulatszám szabályozó telítésben van.. Gyorsítás névleges fordulatszám felett mezőgyengítéses üzemben: a szakasz elején a fordulatszám szabályozó továbbra is telítésben van, azonban a rotorfluxus szabályozó által megszabott fluxus csökkenés hatására a motor nyomatéka csökkenni fog. Majd 39

50 V. miután kellően nagy fordulatszámig felgyorsult a motor a fordulatszám szabályozó kijön a telítésből, és tovább gyorsítja a motort az alapjelként megadott fordulatszám értékig. Állandó sebességű üzem: 1.5ω n -ig gyorsított motor energiatakarékos üzeme kerül megvalósításra, mivel a hajtásnak nincs nagy nyomatékigénye. Energiatakarékos üzem n 1 nélkül r rn rn értékű lenne a rotorfluxus, azonban az optimális 1.5 nyomaték szöget 60 -ra választva a rotorfluxus értéke 0.58 értékre áll be. V. Fékezés: Az állandó sebességű üzem után a motort lefékezzük. Először újra meg kell növelni a névleges értékig a rotorfluxust, hogy a megengedhető maximális nyomatékkal lehessen lassítani a hajtást. Ezek a szakaszok jól elkülöníthetők a ábrán. A hajtásmodell működésének bemutatására egy feltételezett nagyteljesítményű mozdony rövidrezárt forgórészű aszinkron motorjának az adatait vettem alapul. Viszonylagos egységes számítások alapjául a motorok a fázismennyiségeinek csúcsértékét vettem: Feltételezett motor adatai: Névleges vonali feszültség: 540 V eff 540V 3 440V Névleges áram: 1000 A eff AL 1000A eff 1414A Tápkörfrekvencia: *π*50hz 50/ sec A szimulációban felhasznált paramétereket a táblázat 3-1. táblázat szemlélteti. Viszonylagos egységek Természetes egységek 3F ÁH 1F ÁH 3F ÁH 1F ÁH R Tr Ω L Tr E-04 H C F R sz Ω L sz E-04 H C sz F DCref. 968 V h(a,b,c) V f 500 Hz R Ω T' sec L m H T ro sec R r Ω T in sec 3-1. táblázat: Rövidrezárt forgórészű aszinkron motoros szimuláció paraméterei 40 AL AL eff

51 Megjegyzendő, hogy a valóságban a névleges indítási időállandójuk jóval nagyobb az ilyen nagyteljesítményű motoroknak. Azonban a nagyobb időállandó választása jelentősen megnövelte volna a szimulációs időt. A gyorsítás, állandó sebességű üzem és lassítás folyamat alatt nyomatékok, fordulatszámok, rotorfluxusok és terhelő nyomatékok időfüggvényeit a ábra, 3-0. ábra és a 3-1. ábra szemlélteti ábra: Motor nyomaték (sötétkék), fordulatszám (zöld), rotorfluxus (piros), terhelő nyomaték (világoskék) időfüggvénye ideális egyenfeszültség forrás esetén 3-0. ábra: Motor nyomaték (sötétkék), fordulatszám (zöld), rotorfluxus (piros), terhelő nyomaték (világoskék) időfüggvénye háromfázisú hálózatra kapcsolt áramirányítót modellezve 41

52 3-1. ábra: Motor nyomaték (sötétkék), fordulatszám (zöld), rotorfluxus (piros), terhelő nyomaték (világoskék) időfüggvénye egyfázisú hálózatra kapcsolt áramirányítót modellezve A hajtásrendszerek működését jól lehet jellemezni a motorok mező koordinátarendszerben kirajzolt áramvektoraival, amelyeket a 3-. ábra személtet. a.) 4

53 b.) 3-. ábra: Motor áramvektor pályája mező koordináta rendszerben a.) ideális egyenfeszültség forrás esetén b.) háromfázisú hálózatra kapcsolt áramirányítót modellezve c.) egyfázisú hálózatra kapcsolt áramirányítót modellezve Az első ábrán folytonos nyilakkal jelöltem gyorsításkor, míg szaggatott vonallal jelöltem a lassításkor az áramvektor pályájának irányát. Az áramvektorok pályáján egymástól jól elkülöníthető szakaszokat lehet megkülönböztetni: a. A hajtás az origóból indul, majd a rotorfluxus kiépítése miatt az áramvektor az α tengely mentén indul el, ezalatt a nyomatékképző áramkomponens értéke zérus. A szimuláció során forszírozva, i α maximális értékékét is elérve épül ki a rotorfluxus. b. Amikor a rotorfluxus értéke közelíti az előírt értéket a fluxusképző áramkomponens szabályozója i α csökkenését írja elő. c. Miután az. szakasz végén a rotorfluxus értéke elérte a 95%-ot, engedélyezésre kerül a nyomatékképzés, nyomatékképző áramkomponens növekedni kezd és a hajtás gyorsul. Amíg i β áramkomponens eléri a maximális értéket, i α tovább csökken, amíg eléri a névleges fluxus fenntartásához szükséges értéket, amely a 3-7. egyenlet alapján i ( r rn) rn Lm 0.5 értékű. d. A névleges fordulatszám elérése után mezőgyengítéses üzembe vált át a rendszer. Ezért az α áramkomponens csökkenni kezd, és negatív értéket is felvehet. A modellezett motor kis indítási időállandója miatt fellépő nagy gyorsulás okozza ezt a hatást. Mezőgyengítéses üzemben hiperbolikusan kellene csökkenteni a rotorfluxus értékét, a nagy gyorsítás miatt egyes tartományokban ezt csak forszírozással tudja lekövetni a rendszer. Ebben a tartományban a fordulatszám szabályozó telítésben van, azonban a rotorfluxus csökkenése miatt csökken a nyomaték is (3-11c. egyenlet alapján). 43 c.)

54 e. Az alapjelként meghatározott fordulatszám közelítésével a fordulatszám szabályozó kijön a telítéses üzemből, ebből következően csökken a nyomatékképző áramkomponens is. A csökkenő nyomaték csökkenő fordulatszám növekedést eredményez, és ennek hatására a fluxus csökkenést le tudja követni a fluxus szabályozó forszírozás nélkül. f. Az energiatakarékos üzem megvalósításához a fluxust csökkenteni kell, ezt forszírozottan valósítja meg a szabályozó egység. g. A fluxus szabályozó által meghatározott értékhez közeledve az i α komponens növekszik, míg be nem áll az energiatakarékos állandó sebességű üzemnek megfelelő értékre. Ebben az üzemállapotban a terhelő nyomaték értéke megegyezik a motor által kifejtett nyomaték értékével, az i β komponens ennek megfelelő nagyságú i m t r. h. Ebben a szakaszban indul a fékezési folyamat. A nyomatékképző áramkomponens negatív irányba mozdul el. Ennek következtében az optimális nyomatékszög fenntartása érdekében az energiatakarékos szabályozás a rotorfluxus, és ennek következtében a fluxusképző áramkomponens csökkentését írja elő. i. A nyomatékképző áramkomponens abszolút értékben való növekedésével a fluxusképző áramkomponens is nőni kezd. j. A rotorfluxus kialakításának forszírozása érdekében a fluxusképző komponens a névleges érték fölé emelkedik, míg a nyomatékképző komponens korlátozásba kerül. k. A rotorfluxus névleges értékét megközelítve a fluxusképző komponens beáll névleges rotorfluxus fenntartásához szükséges i ( r rn) rn Lm 0. 5 értékre. E közben a hajtás a megengedhető legnagyobb nyomatékkal lassít, ezért a nyomatékképző komponens korlátozásban van. l. Az álló állapothoz közel a lassításra szánt nyomaték csökkenése szükséges, ezért a maximális értékről zérusra csökken a nyomatékképző áramkomponens. Mivel a szimulációban álló állapotban a rotorfluxus még névleges értéken marad, ezért i α =0.5. Ezeket a tartományokat az áramkomponensek időfüggvényeiben is meg lehet különböztetni (3-3. ábra): 44

55 3-3. ábra: Nyomatékképző (zöld) és fluxusképző (kék) áramkomponensek időbeli változása (ideális egyenfeszültség forrás esetén) A másik két esetben is hasonló eredményeket kapunk i α -ra és i β -ra, amit az 1. Melléklet tartalmaz. A 3-4. ábra szemlélteti a kétszintű feszültséginverter kapcsolású motor oldali áramirányító által kiadott feszültség vektorokat. Jól látható, hogy az ideális esetben feszültséggenerátoros közbülső egyenfeszültségű kört modellezve a vektorok nagysága nem változik (a.), ezzel szemben a hálózatoldali áramirányítót és valósághű egyenfeszültségű kört modellezve már megfigyelhető a kiadott vektorokon az egyenfeszültség változása: a.) b.) c.) 3-4. ábra: Motor oldali áramirányító által kiadott feszültség vektorok a.) ideális egyenfeszültség forrás esetén b.) háromfázisú hálózatra kapcsolt áramirányítót modellezve c.) egyfázisú hálózatra kapcsolt áramirányítót modellezve További szimulációs eredményeket az 1. Melléklet tartalmazza. 45

56 Szinkron motoros hajtásrendszer vizsgálata Az állandómágneses szinuszmezős szinkron motoros hajtás vizsgálatára készített szimulációban a motort a névleges fordulatszámának a 100%-ig gyorsítom fel. Így vizsgálható a hajtásrendszer normáltartománybeli működése. A szimulációs vizsgálatokat három szakaszra lehet bontani:. Gyorsítás névleges fordulatszámig: Az állandómágneses szinkron motornál nincs.. szükség forgórésszel kapcsolódó fluxus felépítésére, mivel az állandómágnesek miatt a pólus fluxus rendelkezésre áll. Ezért egy rövid késleltetés után engedélyezésre kerül a nyomaték alapjel, amelynek hatására a motor gyorsulni kezd. Amíg a fordulatszám szabályozó telítésben van a maximális nyomatékkal gyorsul a motor, majd az előírt fordulatszám megközelítésekor fordulatszám szabályozó kijön a telítésből, és tovább gyorsítja a motort az alapjelként megadott fordulatszám értékig Állandó sebességű üzem: ω n -ig gyorsított motor állandó sebességű üzemében a motor által kifejtett nyomaték megegyezik a terhelő nyomatékkal. Fékezés: Az állandó sebességű üzem után a motort lefékezzük. Először a fordulatszám szabályozó telítésbe kerül, és maximális nyomatékkal lassítja a hajtást, majd a szabályozó kilép a korlátozásból és álló állapotig csökken a motor fordulatszáma. Ezek a szakaszok jól elkülöníthetők a 3-5. ábrán. A hajtásmodell működésének bemutatására viszonylagos egységekben határoztam meg egy feltételezett állandómágneses szinkron gép adatait. A szimulációk során a főtranszformátor, a hálózatoldali áramirányító és az egyenfeszültségű kör egyes elemeinek paraméterei megegyeznek az rövidrezárt forgórészű aszinkron motoros szimulációknál bemutatott értékekkel. Az állandómágneses szinkron motor értékei: Viszonylagos egységekben R 0.03 L d 0.3 L q 0.4 T in 31.4 T d 10 T q táblázat: Szinuszmezős állandómágneses motoros szimulációk paraméterei A gyorsítás, állandó sebességű üzem és lassítás folyamat alatt nyomaték, fordulatszám, és terhelő nyomaték időfüggvényeit a 3-5. ábra szemlélteti. 46

57 3-5. ábra: Motor nyomaték (sötétkék), fordulatszám (zöld), terhelő nyomaték (piros), időfüggvénye ideális egyenfeszültség forrás esetén A hajtásrendszerek működését jól lehet jellemezni a motorok mező koordinátarendszerben kirajzolt áramvektoraival, amelyeket a 3-6. ábra személtet. Folytonos nyilak mutatják az áramvektor pályáját gyorsításkor, szaggatott nyilak pedig lassításkor. a. A hajtás az origóból indul, majd az áramvektor az q tengely mentén indul el, nyomatékképző áramkomponens növekedni és a hajtás gyorsulni kezd. A gyorsításhoz a 3-6. ábra: Motor áramvektor pályája mező koordináta rendszerben ideális egyenfeszültség forrás esetén fordulatszám szabályozó a maximális nyomatékot írja elő, ennek megfelelően az i q nyomatékképző áramkomponens a maximális értékig növekszik. b. Az alapjelként meghatározott fordulatszámot közelítve a fordulatszám szabályozó az előírt nyomatékot, és ennek megfelelően az i q áramkomponenst csökkenti. Amikor a hajtás eléri az előírt fordulatszámot, állandó sebességű üzemállapotban a terhelő nyomaték értéke megegyezik a motor által kifejtett nyomaték értékével, az i q komponens ennek megfelelő nagyságú. c. Ebben a szakaszban indul a fékezési folyamat. A nyomatékképző áramkomponens negatív irányba mozdul el. A hajtás a megengedhető legnagyobb nyomatékkal lassít, ezért a nyomatékképző komponens korlátozásba kerül. 47

58 d. Az álló állapothoz közel a lassításra szánt nyomaték csökkenése szükséges, ezért a maximális értékről zérusra csökken a nyomatékképző áramkomponens. További szimulációs eredményeket az 1. Melléklet tartalmaz. A modell képes mezőgyengítéses üzem megvalósítására is, azonban a szimulációs eredmények ismertetésénél ezt az üzemállapotot nem vizsgáltam. 3.5 Áramgenerátoros közelítés jóságának bizonyítása Amennyiben a váltakozó feszültségre kapcsolt frekvenciaváltós hajtások modelljeit az előbbi fejezetekben mutatott részletességgel építjük meg, igen hosszú szimulációs idővel kalkulálhatunk, amely elérheti a 15-0 percet is a rövidrezárt forgórészű aszinkron motoros esetben 1. Ez különösen akkor okoz problémát, ha több hajtásrendszer hálózati visszahatásait szeretnénk egyidejűleg megvizsgálni. Ezért további egyszerűsítéseket kellett tennem a modellek felépítésénél bemutatott egyszerűsítéseken kívül. Több szakirodalom a frekvenciaváltós hajtásrendszerek hálózati hatásainak modellezésére áramgenerátoros terheléssel veszi figyelembe a frekvenciaváltó közbülső egyenfeszültségű körére kapcsolódó terheléseket, amely lehet példaképpen motor oldali áramirányító és a motor ( [43], [44], [45]). Az áramgenerátor képes az egyenfeszültségű körből áram felvételre és visszatáplálásra is. Azonban a terhelés áramgenerátoros közelítésének helyességére egyik irodalom sem tér ki. Jelentősen csökkenthető a szimulációs idő, ha a motor oldali áramirányítót és a motort áramgenerátorként modellezzük. Ezért ezt az egyszerűsítési formát választottam és vizsgáltam meg. Az előző fejezetekben bemutatott modelleket felhasználva hasonlítottam össze a frekvenciaváltós hajtás által kikényszerített hálózati áramokat, amikor valósághű motor oldali áramirányítót és a motort modelleztem, illetve abban az esetben, amikor a motor oldali áramirányítót és a motort áramgenerátorként vesszük figyelembe. Ezen felül vizsgáltam az egyenfeszültségű kör feszültségének alakulását az áramgenerátoros közelítésre, és a valós esetre nézve egyaránt. Az áramgenerátoros közelítés helyességének vizsgálatára meghatároztam az előző fejezetben bemutatott szimulációk alatt a motor oldali áramirányító által az egyenfeszültségű körből felvett áramot (i DCl ). Ez a motor oldali áramirányító működtetésére használt impulzus szélesség moduláció miatt nagyfrekvenciás komponenseket tartalmaz, ezért egy aluláteresztő szűrővel ezeket a komponenseket leválasztottam az i DCl áramról, így kaptam a szűrt i DClsz 1 ntel Core Duo processzoros (1.66GHz-es),.5GB RAM-ot tartalmazó számítógép esetén 48

59 áramot (3-7. ábra). E fejezetben bemutatásra kerülő ábrák háromfázisú hálózatra kapcsolódó rövidrezárt forgórészű aszinkron motoros hajtásrendszert modellezve készültek ábra: Motoroldali áramirányító egyenfeszültségű körből felvett árama (zöld) és ennek szűrt verziója (fekete) Az ábrán jól látható, hogy az i DCsz már nem tartalmazza a motoroldali áramirányító által felvett áram nagyfrekvenciás komponenseit. A 3-8. ábra mutatja, hogy a hálózatoldali áramirányító a váltakozó feszültségű hálózat egyik fázisából milyen áramot kényszerít ki abban az esetben, ha valósághű motor oldali áramirányítót modellezünk (i ha ), illetve abban az esetben, ha áramgenerátorként közelítjük a motor oldali áramirányítót és a motort (i haid ). Az ábrán feltűntettem a közbülső egyenfeszültségű kör feszültségének időfüggvényeit is. 49

60 3-8. ábra: 3F hálózatra kapcsolódó rövidrezárt forgórészű aszinkron motoros hajtás hálózatoldali áramirányító egy fázisának időfüggvényei: u h (kék) hálózat fázis feszültsége, i ha (piros) áramirányító által felvett áram valósághű motoroldali ármamirányítót feltételezve, i hid (fekete): áramirányító által felvett áram áramgenerátoros motoroldali ármamirányító esetén, u DC (zöld): egyenfeszültségű kör feszültsége valósághű motoroldali ármamirányítót feltételezve, u DCid (lila): egyenfeszültségű kör feszültsége áramgenerátoros motoroldali ármamirányító esetén. Az ábrán nagyon kicsi eltérés mutatkozik a vizsgált esetek között. Az i ha és az i haid görbék gyakorlatilag egybeesnek, tranziens folyamatoknál mutatkozik kisebb eltérés. A különbségek vizsgálata érdekében tekintsük a különböző üzemállapotokhoz tartozó megjelölt periódusokat (A: gyorsítás, B: állandó sebességű energiatakarékos üzem, C: fékezés): A: Gyorsítás: 3-9. ábra: A periódus időfüggvényei 50

61 Harmonikus amplitúdó [p.u.] Kis eltérés mutatkozik a két görbe között, ezért elkészítettem a páratlan harmonikusokra vonatkozó spektrumát az i ha (piros) és az i haid (fekete) görbéknek a 115. harmonikusig, amelyet a ábra mutat. Az ábra jobb felső sarkában feltűntettem az áramok alapharmonikus amplitúdóit is. 0,030 0,05 ha1 =.3436 haid1 = ,00 0,015 0,010 0,005 0,000 Harmonikus rendszám ábra: A periódus i ha (piros), i haid (fekete) harmonikus spektrum Az ábrán láthatók az SZM frekvencia okozta kiemelések (f =500Hz). Látható, hogy az egyenfeszültségű körből a motor oldali áramirányító által felvett magas rendszámú harmonikusokat is tartalmazó áram (i DCl ) hatással van a hálózati áram harmonikusaira nézve. A motor oldali áramirányító áramgenerátoros közelítésével csökken a hálózati áram harmonikus tartalma. Vizsgáljuk meg, hogy mekkora különbség adódik a két eset között. A spektrumok ismeretében meg lehet határozni az eltérést a vizsgált jelalakok között: ih _ ihid ha ha1 haid ahol: ν=1,3, 115 (harmonikus rendszám) (Az összefüggés hasonló a torzítási tényezőre vonatkozó összefüggéshez, amely nemszinuszos jelek felharmonikus tartalmát jellemzi, és villamos gépeknél a harmonikus veszteséggel hozható összefüggésbe [46]) Az A periódus áramainak összehasonlításakor ih_ihid =0.03%-ra adódott. 51

62 Harmonikus amplitúdó [p.u.] B: Állandó sebességű, energiatakarékos üzem: ábra: B periódus időfüggvényei A jelalakok eltéréseinek vizsgálatához itt is határozzuk meg a ábra áramainak spektrumait, amit a 3-3. ábra mutat: 0,030 0,05 ha1 = haid1 = ,00 0,015 0,010 0,005 0,000 Harmonikus rendszám 3-3. ábra: B periódus i ha (piros), i haid (fekete) harmonikus spektrum A B periódus áramainak összehasonlításakor ih_ihid =0.10%-ra adódott. 5

63 Harmonikus amplitúdó [p.u.] C: Fékezés: ábra: C periódus időfüggvényei A jelalakok eltéréseinek vizsgálatához itt is határozzuk meg a ábra áramainak spektrumait, amit a ábra személtet: 0,030 0,05 ha1 = haid1 = ,00 0,015 0,010 0,005 0,000 Harmonikus rendszám ábra: C periódus i ha (piros), i haid (fekete) harmonikus spektrum A C periódus áramainak összehasonlításakor ih_ihid =0.0%-ra adódott. A 3-3. táblázat tartalmazza az egyes esetekben kapott ih_ihid tényezőket, egy- és háromfázisú hálózatra kapcsolt esetben egyaránt. 53

64 Gyorsítás Állandó seb. üzem Lassítás ASZ 3F a fázis 0.03% b fázis 0.0% c fázis 0.04% a fázis 0.10% b fázis 0.10% c fázis 0.10% a fázis 0.0% b fázis 0.01% c fázis 0.01% 3-3. táblázat: ih_ihid tényezők ASZ 1F 0.03% 0.01% 0.01% A szimulációs vizsgálataim alapján az a következtetés vonható le, hogy ha a közbülső egyenfeszültségű körös frekvenciaváltós hajtásrendszer motor oldali áramirányítóját és az áramirányító által táplált motort áramgenerátorral vesszük figyelembe, akkor a frekvenciaváltó által kikényszerített hálózati áram harmonikus tartalma csekély mértékben módosul a valósághű esethez képest. Ez a különbség elhanyagolható, és figyelembe véve a szimulációs idő csökkenését, érdemes az áramgenerátoros közelítést alkalmazni. 3.6 Kéttartományos szimulációs eredmények A kéttartományos szimulációs vizsgálatokhoz a frekvenciatartománybeli elemek és a nemlineáris fogyasztók időtartománybeli modelljei ATP-EMTP-ben (Alternative Transients Program - Electromagnetic Transient Program [47], [48]), Dr. Kiss Péter kollégám által kerültek implementálásra. Ehhez kapcsolódnak az általam épített hálózatbarát tulajdonsággal rendelkező időtartománybeli modellek. Az analízis csökkentett időben lévő futtatása érdekében itt már éltem a motor oldali áramirányítók és a motorok áramgenerátoros közelítésével. A vizsgálatok során a 3.. fejezetben bemutatott iterációs folyamat három lépést igényelt, amely perc alatt zajlott le. Áramgenerátoros közelítés nélkül ez az időtartam megtöbbszöröződött volna, illetve több hálózatbarát áramirányítóval rendelkező egység együttes vizsgálatát nem lehetett volna megvalósítani a szimulációt végző számítógép memória korlátai miatt. Az alábbiakban két vizsgálatot mutatok be, amellyel hálózatbarát mozdonyok és PV inverterek hálózati visszahatásait analizáltam. A vizsgálatokhoz az időtartománybeli szimulációkat viszonylagos egységekben végeztem. Az ATP program természetes egységekben számol, ezért a programhoz való kapcsolódás érdekében a szoftver által számolt f1,f, (ν) feszültség spektrumot (lásd 3-4. ábra) átszámoltam viszonylagos egységekké, míg az időtartománybeli szimulációk után az f1,f, (ν) áram válasz spektrumokat természetes egységekben határoztam meg. Ezért a továbbiakban 54

65 e fejezetben bemutatott ábrákon természetes egységek szerepelnek. Vizsgálatokat ν=49-ig végeztem Vasúti alkalmazások vizsgálata Hálózatbarát mozdonyok hálózati visszahatásainak megismerésére, az alábbi eseteket vizsgáltam: adott tápszakaszon csak egy hálózatbarát mozdony közlekedik ( alfejezet), adott tápszakaszon egy hálózatbarát, és egy V43-as mozdony közlekedik, ez utóbbi gyorsít ( alfejezet). A kéttartományos szimulációs módszer csak egy munkapont vizsgálatát teszi lehetővé, ezért kitűntetett üzemállapotokat vizsgáltam, amikor a hálózatbarát mozdony gyorsított vagy lassított és körülbelül a névleges áramát vette fel, vagy adta le. Ezen felül analizáltam a jelenleg alkalmazottól eltérő áramszabályozási stratégiákat is, amivel részletesen foglalkozik a 4. Fejezet. A hálózatbarát mozdony modellezésénél a 3-. ábra a. felépítését vettem alapul, amely kétszintű feszültséginverter kapcsolású hálózatoldali és motor oldali áramirányítókat és rövidrezárt forgórészű aszinkron motort tartalmaz. A motor oldali áramirányítókat és a motorokat áramgenerátorosan vettem figyelembe. Azt feltételeztem, hogy a hálózatoldali áramirányítók alternatív üzemben működnek és működésük azonos, ezért egy hídkapcsolású áramirányítóval vettem figyelembe őket. Így a fejezetben bemutatott szabályozó- és teljesítmény körrel rendelkező egyfázisú áramirányítót alkalmaztam a szimulációk során. Viszonylagos egységes számításaim alapjául a fejezetben bemutatott aszinkron motor adatait használtam ábra: Hálózatbarát mozdony hálózati visszahatásának vizsgálata a.) vasúti hálózat felépítésének egyszerűsített rajza b.) modellezett rendszer 55

66 A két mozdonyos szimulációs vizsgálatok elvi megvalósítását a ábra mutatja [7]. Azt feltételeztük, hogy az egyik mozdony 10 km-re, míg a másik mozdony 4 km-re van az alállomástól. A szimulációs rendszerrel lehetőség nyílt a tápszakasz kijelölt pontjain, az alállomási tanszformátor primer és szekunder oldalán, illetve a mozdonyoknál meghatározni feszültség és áram spektrumokat Adott tápszakaszon csak egy hálózatbarát mozdony közlekedik A vasúti hálózatokra jellemző a rezonancia jelensége, amelyet a mozdonyok által injektált felharmonikus áramok gerjesztenek. Megnő azoknak a harmonikusoknak az amplitúdója, amelyek a rezonancia frekvencia sávjába esnek. A kritikus frekvencia sáv Hz (17-3. harmonikus) között van, amely függ a tápszakasz kapacitásától és az alállomási transzformátor szórási reaktanciájától. A mozdony alállomástól számított távolsága nem befolyásolja a rezonancia frekvenciát viszont kihat az áramerősítés nagyságára. A rezonancia jelenségének következményeképpen lényegesen nagyobb harmonikus áramok fognak folyni a tápszakaszon illetve az alállomási transzformátornál, mint amit a mozdony injektál [6] [7]. A fenti megfontolások miatt vizsgáltam, hogy a hálózatbarát tulajdonsággal rendelkező mozdony okoz-e problémát a rezonancia jelenségét figyelembe véve. Ezért az alállomási transzformátor primer (NAF) oldalán szinuszos feszültségű táplálást feltételezve vizsgáltam a mozdony hálózati visszahatását. A hálózatoldali áramirányító áram szabályozója számára a mozdony áramszedőjénél lévő feszültség alapharmonikusával arányos szinuszos áram alapjelet írtam elő. A hálózatoldali áramirányító SZM modulátorának háromszög frekvenciáját 1000Hz-re állítottam be, amely az alkalmazott alternatív vezérlés miatt megegyezik a kapcsolási frekvenciával. Mai korszerű GBT technológiával már ennél nagyobb érték is elérhető néhány megawattos összteljesítményű mozdonyok számára is. Az elméleti megfontolások alapján alternatív üzemben működő áramirányító esetén a kapcsolási frekvencia kétszeresének oldalsávjaiban jelennek meg a váltakozó áramában az első jelentős harmonikus komponensek [1]. Így a modellezett mozdony az elméleti megfontolások alapján a rezonancia frekvenciához közel injektál harmonikus áramokat a felsővezeték hálózatba. A szimulációk során azt feltételeztem, hogy a mozdony az alállomástól 10 km-re közlekedik. A kutatási eredmények két jellemző diagramját a ábra és a ábra szemlélteti. Az ábrák a mozdony és az alállomási transzformátor 5 kv-os oldalán mutatják a feszültség és áram spektrumokat és időfüggvényeket. 56

67 Áram (A) Feszültség (V) Áram (A) Feszültség (V) Alállomási áram Mozdony áram Alállomási feszültség Mozdony feszültség , , , Frekvencia (Hz) ábra: Hálózatbarát mozdony hálózati visszahatása A mozdony áram spektrumát vizsgálva megállapítható, hogy az elméleti megfontolásokkal egyezően jelentős 39. és a 41. rendszámú áramkomponenseket injektál a hálózatba. A mozdony által keltett harmonikus komponensek megjelennek a hálózati áramban és feszültségben is. A spektrumból az is látható, hogy a mozdony által keltett 17, 19, 1 és 3 rendszámú áramkomponensek felerősödnek a betáplálási pont felé. Azonban mivel ezek mozdony által okozott gerjesztési amplitúdója kicsi ezért még a rezonancia jelenség hatására kiemelt felharmonikusok sem okoznak problémát a hálózatra nézve Alállomási áram Mozdony áram Alállomási feszültség Mozdony feszültség ,005 0,01 0,015 0, dő (sec) ábra: Hálózatbarát mozdony és vasúti hálózat jelalakok 57

68 feszültség [V] Hálózatbarát és hálózatot szennyező mozdony vizsgálata Két mozdony egyidejű vizsgálata esetén célom volt analizálni hogyan hat egymásra adott tápszakaszról üzemelő hálózatbarát és hálózatot szennyező hajtásrendszerrel ellátott mozdony. A ábranak megfelelően közlekedik a két mozdony a tápszakasz mentén. A bemutatásra kerülő kutatási eredményekben hálózatbarát mozdony 10 km-re közlekedik az alállomástól és 500 Hz-es kapcsolási frekvenciával üzemel. Nemlineáris fogyasztóként egy V43-as mozdony is gyorsít vizsgált tápszakaszon, 4 km-re az alállomástól. A szimulációk során vizsgáltam feszültség- és áram spektrumokat (3-38. ábra és ábra) és jelalakokat (3-40. ábra) az alállomási transzformátornál (_0km, _0km), a hálózatbarát mozdonynál (_10km, _m1), a V43-asnál (_4km, _m), és a fázishatáron (_30km, _30km). Az alábbi eredmények születtek: km 4km 10km 30km frekvencia [Hz] ábra: Feszültség spektrumok a tápszakasz mentén 58

69 feszültség [V] áram [A] áram [A] km m1 m ,1 0,01 0, ábra: Mozdonyok által felvett áramok és az alállomási transzformátor szekunder oldali áram spektrumai Az ábrák alapján megállapítható, hogy megfelelő szabályozással működő hálózatbarát áramirányítóval rendelkező mozdony működésére nincs jelentős befolyással egy nemlineáris fogyasztóként viselkedő másik mozdony. A V43-as tekintélyes mennyiségű harmonikust injektál a hálózatba, ami a feszültség jelalak torzításához vezet. Az egyenáramú motoros mozdony torzítása ellenére a hálózatbarát mozdony képes gyakorlatilag szinuszos áramfelvételt eredményezni a hálózatból. Két mozdony együttes vizsgálatát felhasználom a. tézisben megfogalmazott módszerek bemutatására is. frekvencia [Hz] km 10 10km 80 0km 40 m ,005 0,01 0,015 m 0, idő [s] ábra: Két mozdony vizsgálatának időfüggvényei 59

70 3.6. PV inverterek vizsgálata Hazánkban egyre nagyobb ütemben terjednek el a háztartási méretű kiserőművek. A háztartási méterű kiserőművek közül legnagyobb számban napenergiát hasznosító berendezéseket helyeznek üzembe. Az érvényben lévő VET 13. () bekezdése kimondja, hogy a háztartási méretű kiserőművek által termelt villamos energiát a villamosenergiakereskedőnek vagy a szolgáltatónak kötelezően át kell venni, így a PV egységek által megtermelt villamos energiát is [49]. Érdemes megvizsgálni a PV egységek kisfeszültségű hálózatra gyakorolt hatásait, mivel az ilyen egységek elterjedésére lehet számítani. A PV inverterek kéttartományos szimulációs vizsgálatával lehetővé válik meghatározni, hogy a vonatkozó szabványok előírásai betarthatók-e számos PV inverter egyidejű működése esetén is, illetve lehetővé válik megvizsgálni, hogy milyen szűrő egységekkel szükséges az invertereket ellátni. A modell frekvenciatartománybeli analíziséhez méréseken alapuló valós adatok álltak rendelkezésre. Egy szabadvezetékes KÖF/KF transzformátor ellátási körzete lett figyelembe véve. A vizsgált transzformátor által ellátott területen, oszlopon összesen 76 egyfázisú fogyasztó csatlakozik a KF hálózatra. Vizsgálatok folytak tisztán szinuszos és más nemlineáris fogyasztók által harmonikusokkal torzított hálózatra vonatkozóan is. A vizsgálatoknál azzal a feltételezéssel éltünk, hogy minden inverter közvetlenül a oszlop egyikére csatlakozik. A számításoknál 10 inverter együttes működésének hatását vizsgáltuk. A várható eloszlást figyelembe véve azt feltételeztük, hogy db 5 kw 3F (azaz a várható eloszlás 0%-a), 6 db.5 kw 1F (60%) és db 1 kw 1F (0%) névleges teljesítményű PV inverter kapcsolódik a vizsgált hálózatra. Az eloszlást igyekeztük véletlenszerűen végezni, így az inverterek oszlopok szerinti kiosztása az alábbi táblázatnak megfelelő: Oszlop szám Fázis névleges teljesítmény 3. a 1kW 6. c 1kW 7. b.5kw 8. a,b,c 5kW 9. a.5kw 9. b.5kw 11. a,b,c 5kW 15. c.5kw 0. a.5kw. b.5kw 3-4. táblázat: PV inverterek elhelyezkedése 60

71 A szimulációs rendszerrel lehetőség nyílt valamennyi termelő egység áram- és feszültség spektrumát vizsgálni. Az eredményként kapott spektrumból pedig meg lehetett határozni az feszültség és áram torzítási tényezőket PV inverter modellek A korábbiakban bemutatott rövidrezárt forgórészű aszinkron motoros és állandómágneses szinkron motoros frekvenciaváltós hajtásrendszer egy- és háromfázisú hálózatra kapcsolódó hálózatoldali áramirányítóinak a modelljeit használtam fel a PV inverterek vizsgálatához. Azt feltételeztem, hogy a napelem cellák és az áramirányító közötti feszültség illesztést egy közbenső modul végzi el. A vizsgálatok során a közbenső modult és a napelemeket áramgenerátorként vettem figyelembe. Az időtartománybeli szimulációkhoz a PV inverter modellek felépítésénél a viszonylagos egységek meghatározásához a hálózat paramétereit vettem alapul. Azt feltételeztem, hogy a hálózat és az inverter egység közé T kapcsolású L-C- L szűrőt helyezünk. A bemutatásra kerülő szimulációs eredményeknél a 3-5. táblázatban szereplő paramétereket alkalmaztam. Viszonylagos egységek Természetes egységek 1F 1kW 1F.5kW 3F 5kW 1F 1kW 1F.5kW 3F 5kW AL V AL A ω AL /sec L sz H C sz E-07.6E-06.10E-06 F L sz H DC_ref V C E-05 F f 4500 Hz 3-5. táblázat: PV inverter modelleknél felhasznált paraméterek A háztartási méretű kiserőműveknél alkalmazott inverter egységek között alacsonynak tekinthető 4500 Hz-es kapcsolási frekvenciát feltételeztem. Ennél nagyobb frekvencia lehetőséget biztosítana kisebb hálózati szűrő választására. Egyfázisú hálózatra kapcsolódó PV inverter modell: A gyakorlatban számos napelemhez kapcsolódó inverter kialakítást alkalmaznak. Egyfázisú hálózatra kapcsolódó 1F inverterek kialakításáról ad rövid ismertetést a [35] szakirodalom. A hálózathoz kapcsolódó hivatkozott modulok közül három különböző feszültséget kialakítani képes (+ DC, - DC, 0) hídkapcsolású áramirányítót modelleztem, amelynek erősáramú köre 61

72 megegyezik a 3-7. ábra által bemutatott, a fejezetben ismertetett egyfázisú hálózatoldali áramirányítóéval. Háromfázisú hálózatra kapcsolódó PV inverter modell Háromfázisú hálózatra kapcsolt PV inverterek hálózatoldali áramirányítójának kialakításához a 3-6. ábra által személtetett, a fejezetben bemutatott háromfázisú hálózatoldali áramirányítót modelleztem. A [36] szakirodalom szerint ezt a felépítést széles körben alkalmazzák, sokkal gyakrabban, mint a nulla vezetővel ellátott változatot Szimulációs eredmények oszlop fázis P n THD THD szinuszos torzított 3 a 1 kw 0.98% 3.80% 6 c 1 kw 1.00% 4.31% 7 b.5 kw 1.13%.89% a.8% 3.5% 8 b 5 kw.33% 3.4% c.% 4.5% 9 a.5 kw 1.3% 4.7% 9 b.5 kw 1.44% 4.18% a.0% 3.36% 11 b 5 kw.6% 3.7% c.7% 4.66% 15 c.5 kw 1.01% 4.44% 0 a.5 kw 0.87% 4.69% b.5 kw 0.85% 4.17% THD,max.33% 4.7% 3-6. táblázat: PV inverterek hálózati visszahatásai, szimulációs eredmények Az eredmények tisztán a KÖF/KF transzformátor primer oldalán szinuszos hálózatot feltételezve, illetve legrosszabb esetként 7.87% feszültség torzítottságú hálózatot feltételezve adódtak. Az inverter modelleket szinuszos áram alapjellel működtettem. A szimulációs eredményeket a 3-6. táblázatban foglaltam össze, amely az egyes oszlopokon lévő PV inverterek váltakozó hálózatba táplált áramának harmonikus torzítottságát szemlélteti. Látható, hogy a választott szűrő paraméterek mellett tartható a szabványban megfogalmazott 5%-os korlát, még nagy torzítottságú hálózat esetén is. A szimulációs modellel későbbi célom megvalósítani és ellenőrizni azt, hogy milyen optimális paraméterekkel rendelkező L-C-L szűrőket érdemes beépíteni PV inverterekhez. 6

73 tézis Kutatásaim alapján az alábbi tézist és ennek egy altézisét fogalmaztam meg: 1. tézis: Kéttartományos szimulációs módszerek alkalmazásához megalkottam moduláris felépítésű, korszerű, frekvenciaváltós hálózatbarát rövidrezárt forgórészű aszinkron, és állandómágneses forgórészű szinkron motoros villamos hajtás olyan időtartománybeli modelljét, amelyet viszonylagos egységekkel, a rendszerre felírható differenciálegyenletek alapján építettem fel. A modellel lehetőség nyílt hálózatbarát mozdonyok, és a hálózati áramirányító hasonlóságára tekintettel napelemhez kapcsolódó (PV) inverterek hálózati visszahatásait is vizsgálni altézis: Szimulációs eredményekkel igazoltam, hogy közbülső egyenfeszültségű körös frekvenciaváltó hálózati visszahatásainak vizsgálatára a motor oldali áramirányítót elegendő áramgenerátoros közelítéssel figyelembe venni. Tézishez kapcsolódó publikációk: [S]-[S16] A tézis egy olyan szimulációs környezetet mutat be, amellyel lehetőség nyílik korszerű hajtásrendszerek hálózati visszahatásainak vizsgálatára. A kéttartományos szimulációs környezet időtartománybeli részéhez eddig nem alkalmazott szimulációs modelleket építettem. A tézishez kapcsolódó fejezet részletezi a modellek felépítését, és példákon keresztül mutatja be működésüket. Először csak időtartománybeli analízisek kerülnek részletezésre, majd a megfogalmazott altézissel kapcsolatos vizsgálatok. Az altézis alapján levonható az a következtetés, hogy a hálózati visszahatások vizsgálatára lehetőség van áramgenerátorosan figyelembe venni a frekvenciaváltós hajtások motor oldali áramirányítóját és az ehhez kapcsolódó motort. Elhanyagolhatóan kis eltérés mutatkozik a valósághű és az áramgenerátoros modellel kapott értékek között, úgyhogy a szimulációs idő csökkentése érdekében érdemes az áramgenerátoros közelítéssel élni. Végül az utolsó fejezet példákon keresztül mutatja be a teljes rendszer működését. 63

74 4 Újfajta áramszabályozási módszer hálózatbarát áramirányítók váltóirányító üzeméhez Egy- és háromfázisú váltakozó feszültségű hálózatról üzemelő hálózatbarát áramirányítók alapvetően a hálózati feszültség alapharmonikusával arányos szinuszos áram felvételére vagy visszatáplálására törekednek. Példaképpen említhetjük a [50] cikket, amely háromfázisú hálózatra kapcsolt áramirányító szinuszos áramának megvalósítására mutat be megoldási lehetőséget. Egyfázisú hálózatra csatlakozó hálózatbarát üzemet lehetővé tevő mozdonyoknál is lehetőség szerint a felsővezeték feszültség jelalak alapharmonikusával arányos áram kikényszerítésére törekednek. Erre példa a Taurus mozdonyt ismertető könyv [6], amely bemutatja, hogy a hálózatoldali áramirányító egyenirányító és váltóirányító üzemében is szinuszos áram felvételét vagy visszatáplálását kívánja megvalósítani. lletve ezt bizonyítják a MÁV-TEB hálózatbarát mozdonyokon végzett mérési eredményei [51]. A [45] cikk mozdonyok számára olyan megoldást mutat be, amely alkalmazásakor a torzított felsővezeték hálózat esetén az áram harmonikus tartamát alacsony értékre lehet lecsökkenteni, és ezáltal szinuszos áramot előállítani. Ezt a szabályozó körben az kis rendszámú frekvenciakomponensek csillapításával valósítják meg. A szinuszos áramot kikényszerítő stratégiától az alábbi megfontolás miatt eltérhetnek: - Hálózatbarát áramirányító kapcsolási veszteségeinek csökkentése. Az áramirányítók félvezető elemeinek kapcsolási veszteségeinek csökkentésére számos eljárást dolgoztak ki. Ezek közül a flat-top modulációs eljárás a legelterjedtebb. A PV inverterek nagy részénél ezt a megoldást alkalmazzák [36], [5]. Maximális feszültségű pont környezetében a félvezető elemek számára egy kapcsolásmentes tartomány kerül kialakításra. - Egyszerű vezérlés megvalósítása. A szinusos, illetve a flat-top modulációs eljárás megvalósításához pontosan meg kell határozni a hálózati feszültség alapharmonikusát. Jelentősen torzított feszültség jelalak esetén ez komoly nehézségekbe ütközik. Ezért alkalmaznak hálózatbarát áramirányítóknak egyszerű megoldást, amely a hálózati feszültség pillanatértékével arányos áramot kényszerít ki. Ezt ohmos megoldásnak nevezik, mivel ekkor ohmos terhelést jelent az áramirányító a hálózatra nézve [31]. - Alapharmonikus feszültség amplitúdójának növelése. Háromfázisú SZM modulátor alkalmazása esetén a feszültséginverter váltakozó feszültségű oldalán az alapharmonikus feszültség amplitúdója DC / nagyságú lehet. Két 64

75 lehetőséget szoktak alkalmazni, ha igény van az alapharmonikus amplitúdó növelésére: a harmadik harmonikus, illetve a vektoros modulációt. Az egyik esetben a modulátor szinuszos vezérlő jeleihez hozzákevernek 3. harmonikus komponenst, míg a másik esetben a vezérlő jelhez egy zérus sorrendű komponenst adnak hozzá. Ez utóbbival például a váltakozó feszültségű oldalon kiadható maximális alapharmonikus feszültség amplitúdó 15%-kal nagyobb lesz ( 3 / 1.15 / ) [53]. 1max DC Az áramszabályozási stratégiák alkalmazásának csak a hálózatbarát áramirányítókra vonatkozó szabványelőírások betartása szab határt. Azonban egyik megoldásnak sem célja a hálózat torzítottságának csökkentése, csak a hálózatbarát áramirányítót tartalmazó rendszer váltakozó feszültségű hálózathoz kapcsolódó kapcsain a megfelelő áram jelalak előállítása. A hálózat torzítottságának csökkentését szűrő berendezésekkel szokták megvalósítani, amit leghatékonyabban aktív szűrők telepítésével lehet megoldani. Ezek számos típusa ismert, a hálózathoz teljesítmény elektronikai eszközön keresztül egy energiatároló egység csatlakozik, így lehetővé válik a hálózati harmonikusok kompenzálása (pl: [54], [55]). Vasúti alkalmazásban is foglalkoznak aktív szűrők telepítésével, elsősorban alállomási transzformátorokban [7]. Egyes szakirodalmak már részletezik azt a megoldást, amikor nem külön aktív szűrés céljából telepített berendezést használnak, hanem közbülső egyenfeszültségű körös feszültséginverteres frekvenciaváltóval ellátott hajtásrendszer hálózatoldali áramirányítójának megfelelő vezérlésével valósítják meg az aktív szűrést. Erre példa a [36] disszertáció RPHC rövidítéssel jellemzett módszere. Megújuló energiaforrások erőműveihez is ezt a javaslatot adja a [56] cikk, amely szimulációs eredményekkel támasztja alá a rendszer működésének hatékonyságát. Mindkét szakirodalomban található stratégiák alkalmazásával jelentős hálózati torzítottság csökkenést lehet elérni. Azonban, az aktív szűrő megfelelő működtetéséhez ismerni kell a torzított hálózat áramának időfüggvényét. Ehhez árammérő berendezést kell telepíteni a hálózatra (4-1. ábra). Azonban egyes esetekben ez nem valósítható meg. Példaképpen egy váltakozó feszültségű hálózatról üzemelő mozdonynál csak a járműbe épített főtranszformátor primer oldalán lehet a mozdony áramát mérni, de nincs lehetőség az áramszedőhöz közeli felsővezeték áramokat mérni. lletve a hálózatra kötött kompakt berendezések példaképpen kiserőművek PV inverter egységei esetén sincs lehetőség külön árammérőt elhelyezni a hálózaton (4-. ábra). Ezzel szemben váltakozó feszültségű hálózatra csatlakozó közbülső egyenfeszültségű körrel rendelkező hálózatbarát áramirányítók szabályozására az eddig ismert módszerekhez képest DC 65

76 olyan áramszabályozási stratégiát valósítottam meg, amelynek eredménye a hálózat torzítottságának csökkentése olyan körülmények között, amikor az áram mérésére a hálózaton nincs lehetőség, csak az áramirányító egység váltakozó feszültségű kimenetén. A szabályozási módszer előnyös tulajdonsága a hálózatoldali áramirányító váltóirányító üzemében mutatkozik meg. Az eljárással energia megtakarítás érhető el, alkalmazásával a hálózati veszteségek csökkenthetők, és ezzel párosulva a váltakozó áramú hálózat szennyezett feszültségtorzításának mértéke csökkenthető, ami a váltakozó áramú hálózat minőségének javítását vonja maga után. A tézisben bemutatásra kerülő módszer alkalmazása nem csökkenti olyan hatásosan a felharmonikus tartalmat, mint az aktív szűrő, azonban az eljárás alkalmazásával is jelentős csökkenés érhető el ábra: Egy- és hármofázisú hálózatra kapcsolódó aktív szűrők áram- és feszültségmérőinek elhelyezkedése 4-. ábra: Egy- és háromfázisú hálózatra kapcsolt hálózatbarát hálózatoldali áramirányítók áram- és feszültségmérőinek lehetséges elhelyezkedése 4.1 Stratégia ismertetése A stratégia ismertetésekor egy- és háromfázisú hálózatra kapcsolódó inverterek számára egy áram időfüggvény kerül meghatározásra. Az áramszabályozási stratégiának célja, hogy a hálózatbarát áramirányító az itt meghatározott áram időfüggvényt állítsa elő a váltakozó feszültségű kapcsain. A stratégia valós környezetbe való implementálásával külön fejezet foglalkozik. 66

77 4.1.1 Egyfázisú hálózatra kapcsolt áramirányító esetén Az ismertetéshez először definiáljuk az egyéb nemlineáris fogyasztók által felharmonikusokkal torzított váltakozó feszültségű hálózat feszültség időfüggvényét, amelyet az áramirányító váltakozó oldali csatlakozási pontján az alábbiak szerint írhatunk fel: h (t) h1 sin ht h sin( ht ) u, 4-1 ahol h1 : az alapharmonikus feszültség amplitúdója, ω h =πf 1, f 1 : az alapharmonikus frekvencia. A feszültség felharmonikus összetevők rendszáma ν=,3,..., amplitúdója hν, fázisszöge φ ν. A startégia alkalmazása esetén az áramirányító egyenirányító üzemében arra törekszik, hogy a felvett áramának alapharmonikusa a csatlakozási pontján lévő hálózati feszültség alapharmonikusával arányos nagyságú és azzal megegyező fázisú legyen, míg a felvett áramának felharmonikusai a hálózati feszültséggel ellenfázisban legyenek. Ebben az esetben az áramirányító által felvett áram egyenirányító üzemben az alábbiak szerint alakul, illetve látható az amplitúdókra vonatkozó összefüggés: iford (t) 1_ fordsin ht _ fordsin( ht ) kfordh1 sin ht h sin( ht ) k k 4-a,b ; 1_ford ford h1 _ ford ford h ahol: 1_ford : i ford áram alapharmonikusának amplitúdója, ν_ford : i ford felharmonikus áramainak amplitúdója, k ford [A/V]: tényező. (Mivel az alapharmonikus és a felharmonikusok ellentétes, fordított előjellel szerepelnek, ezért használom a ford indexet) Váltóirányító üzemben az áramirányító arra törekszik, hogy az általa leadott áram alapharmonikusa a hálózati feszültség alapharmonikusával ellenfázisban legyen, míg a leadott áram felharmonikusai a hálózati feszültség felharmonikusaival arányosak és fázisban legyenek. Azaz a rendszer a felharmonikus áramokra nézve fogyasztóként viselkedjen. Ebben az esetben az áramirányító által kikényszerített áram váltóirányító üzemben az alábbiak szerint alakul, illetve látható az amplitúdókra vonatkozó összefüggés: iford (t) 1_ fordsin ht _ fordsin( ht ) kford h1 sin ht h sin( ht ) ; 1_ford ford h1 k ( ); _ ford kford h 4-3a,b 67

78 Az elméleti megfontolásból kitűnik, hogy a stratégiát nem érdemes alkalmazni hálózatoldali áramirányító egyenirányító üzemében, ugyanis akkor felharmonikus termelőként viselkedne az áramirányító. Ezzel szemben váltóirányító üzemben előnyös alkalmazni, mivel a harmonikus áramokra nézve ellenállásként viselkedik a rendszer, így lehetővé válik más nemlineáris fogyasztók által keltett felharmonikusok egy részét kiszűrni. Ezen megfontolások miatt az elvvel kapcsolatos tézist csak az előnyös tulajdonságot mutató váltóirányító üzemre mondom ki Háromfázisú hálózatra kapcsolt áramirányító esetén Nemlineáris fogyasztók által harmonikusokkal torzított váltakozó feszültségű hálózat Park vektora: u h 4-4 h1 e jht h e jht h1 e jht h e j e jht h1 e jht h e j ht (Ha a háromfázisú feszültség szimmetrikus, de felharmonikusokat tartalmaz: ν=1+gk. Amennyiben az áramirányító hatoldalú szimmetriával rendelkezik, akkor g=6, ekkor ν=1+6k. Pozitív sorrendű harmonikusokra: k=0,+1,+ (ν=1,7,13 ) és a fázisok egymáshoz képest os szöget zárnak be; negatív sorrendű harmonikusokra k=-1,- (ν=-5,-11 ) és a fázisok egymáshoz képest +10 -os szöget zárnak be.) Ha ν>0 a felharmonikus vektor azonos irányban forog az alapharmonikus vektorral, egyébként ellenkező irányban forog (4-3. ábra) ábra: Harmonikus feszültség vektorok A stratégia alkalmazása esetén egyenirányító üzemben a hálózatoldali áramirányító arra törekszik, hogy az alábbi áramvektornak megfelelő áramot vegye fel a hálózatból: 68

79 i ford 1_ ford e jht _ ford jht j ht j ht e kford h1 e h e 4-5 Váltóirányító üzemben pedig az alábbi áram visszatáplálására törekszik: j ht j ht jht j ht i ford 1_ ford e _ ford e kford h1 e h e Elv gyakorlati megvalósítása Az ismertetett elvet meg lehet valósítani a széles körben használt, 3-9. és ábrán bemutatott egyenfeszültség szabályozásnak alárendelt hálózati áram szabályozását megvalósító szabályozó körrel. A szabályozó kör áram alapjel képzőjének hullámalak meghatározó bemenetét kell ellátni megfelelő egységgel. Amennyiben egyfázisú hálózatoldali áramirányítót szeretnénk a stratégia szerint működtetni, a hullámalak meghatározó egység számára feszültség érzékelővel kell képezni a hálózati feszültség hullámalakját (u h ). Ebből egy alapharmonikus képző egységgel meg kell határozni az alapharmonikusát (u h1 ), majd képezni kell a két jel különbségét ( u h =u h - u h1 ). Végül a különbségi jelet ki kell vonni az alapharmonikus jelből (u h1 - u h ). Amennyiben az így kapott jellel működtetjük az áram alapjel képzőt, az áramszabályozó és az SZM modulátor arra fog törekedni, hogy az áramirányító a hálózati árama a 4-a egyenletnek megfelelő időfüggvényű legyen egyenirányító üzemben, míg váltóirányító üzemben a 4-3a egyenletnek megfelelő legyen. Az egyenfeszültség szabályozó kimenete egyenirányító üzemben pozitív, míg váltóirányító üzemben negatív előjelű jelet szolgáltat, így valósulhat meg a két üzemmódnak megfelelő különböző áram időfüggvény. A bemutatott áramszabályozási stratégiát megvalósító egyfázisú hálózatoldali áramirányító szabályozó körét a 4-4. ábra szemlélteti. A stratégia megvalósítására egy másik megvalósítási lehetőséget mutat be a 4-7. ábra, ahol az új stratégia kiválasztása esetén a hullámalak meghatározó egység u h1 - u h jelet állít elő. Ez megegyezik e fejezetben bemutatott hullámalakkal, ugyanis: u h1 - u h =u h1 - (u h1 + u h )= =u h1 - u h. 69

80 4-4. ábra: Új stratégiát megvalósító egyfázisú hálózatoldali áramirányító szabályozó köre Az új áramszabályozási stratégia háromfázisú hálózatra kapcsolt hálózatoldali áramirányítókban való alkalmazásakor az egyes fázisáramok hullámalakjának meghatározásához az egyfázisú esetnél ismertetett módon kell eljárni (4-5. ábra). Ezáltal lesz lehetőség egyenirányító üzemben a 4-6. egyenletnek megfelelő áramvektor kiadására, míg váltóirányító üzemben a 4-7. egyenletnek megfelelő áramvektor megvalósítására ábra: Új stratégiát megvalósító háromfázisú hálózatoldali áramirányító szabályozó köre 4.3 Stratégia vizsgálata mérésekkel A stratégia előnyös tulajdonságait egyfázisú hálózatra kapcsolt teszt rendszeren végzett mérésekkel is igazoltam. A méréseket a DiFiLTON-ARC Kft támogatásával, a Kende utcai laboratóriumukban tudtam elvégezni, akik rendelkezésre bocsátottak egy áramirányító berendezést, áramköri elemeket és mérőeszközöket. A mérésekhez használt vezérlő egység Horváth Miklós címzetes docens úr tervei alapján készült el Teszt rendszer felépítése Egy olyan teszt rendszer készült, amellyel közbülső egyenfeszültségű körös frekvenciaváltó hálózatoldali áramirányítójának működését lehet megvizsgálni. A teszt rendszer erősáramú körét a 4-6. ábra mutatja, amelyiknek központi eleme Advanced Motion Control (AMC) által 70

81 gyártott négynegyedes hídkapcsolású teljesítményelektronikai egység (100A40-es analóg szervo hajtás). A hajtás váltakozó feszültségű oldalát egyfázisú hálózatra kapcsoltuk, az egyenfeszültségű oldala diódás egyenirányítón és terhelő ellenállásokon keresztül ugyan ehhez hálózathoz csatlakozott. Az egyenfeszültségű körbe két párhuzamosan kötött kondenzátor került összesen 6000 μf kapacitással. Toroid transzformátorok (T1-3, T5, T8) tették lehetővé a megfelelő feszültségszintek beállítását, így lehetőség nyílt az áramirányító egyen- és váltakozó oldali feszültségének változtatására. Galvanikus leválasztás miatt, 1:1-es áttételű transzformátorok kerültek beiktatásra (T4, T6, T7). A T1-3 és T4 transzformátor a hálózat impedanciájának növeléséhez is hozzájárul, annak érdekében, hogy a nemlineáris hálózattorzítás erőteljesebben érvényesüljön. Az összeállított teszt rendszerrel lehetőség nyílt kétirányú energiaáramlást megvalósítani, azaz vizsgálni lehetett egyenirányító és váltóirányító üzemben egyaránt. Ahhoz, hogy a vizsgálatokat torzított feszültségű hálózaton lehessen elvegezni, egy nemlineáris terhelést kötöttünk a váltakozó feszültségű hálózatra, amely egy diódás egyenirányítót tartalmazó hegesztő berendezés. A nemlineáris terhelés áramát lehetett változtatni ábra: Teszt rendszer erősáramú kapcsolási sémája Az áramirányító egységet több áramszabályozási stratégia vizsgálatát lehetővé tevő szabályozó- vezérlő egységgel láttuk el, amelynek elvi felépítését a 4-7. ábra szemlélteti. A szabályozó körben egyenfeszültség szabályozásnak alárendelt hálózati áram szabályozás került megvalósításra. Az egyenfeszültség alapjel beállítható, de a mérések során ezt fix értéken tartottuk. Az egyenfeszültség szabályozónak kimeneti korláttal rendelkező analóg P szabályozót alkalmaztunk. A 100 Hz-es lüktetés kiküszöböléséhez aktív Wien-Robinson típusú sávszűrő került beiktatásra [57]. Az egyenfeszültség szabályozó állítja elő a megfelelő hálózati áram amplitúdó alapjelet. Ezt egy analóg szorzó egység összeszorozza a hullámalak meghatározó bemenetére érkező jellel, és így jutunk a hálózati áram alapjelhez. P típusú hálózati áram szabályozó került megvalósításra, amelynek kimenete az AMC hajtás SZM 71

82 vezérlőjének a bemenetére csatlakozott. Az analóg szorzó hullámalak meghatározó bemenetén keresztül lehetett különböző áramszabályozási stratégiák között választani. Így össze lehet hasonlítani az újfajta stratégiát az eddig alkalmazott alábbi módszerekkel: - szinuszos stratégia: amikor az áramirányító a váltakozó feszültségű hálózat alapharmonikusával arányos áramot vesz fel, vagy táplál vissza - ohmos stratégia: az áramirányító a váltakozó feszültségű hálózat pillanatértékével arányos áramot vesz fel, vagy táplál vissza, azaz arra törekszik, hogy ohmos ellenállásként mutatkozzon a váltakozó feszültségű hálózatra nézve. Kapcsolóval lehetett kiválasztani a vizsgált stratégiát (1. állás: szinuszos,. állás: ohmos, 3. állás: új stratégia). A szinuszos stratégia vizsgálatához elő kellett állítani a hálózati feszültség alapharmonikusát. Ezt két sorba kötött Csebisev-típusú aluláteresztő szűrővel valósítottuk meg, amelynek a törésponti frekvenciáját 80Hz-re állítottuk be, és e fölött a meredeksége 80dB/dek volt [57]. A szűrő fázistolásának kiküszöbölésére fázistoló egység került beépítésre. Ohmos stratégia vizsgálatához elegendő pontosan mérni a hálózati feszültség időfüggvényét ábra: Szabályozó egység blokk diagramja Az AMC hajtás vezérlésének felépítését és a teszt rendszer szabályozó- vezérlő egységének felépítését a.melléklet mutatja Mérési eredmények A mérések folyamán az egyenfeszültséget és az egyenáram abszolút értékét állandó értéken tartottuk (u DC =350V, i DC =1.A). A mérések során az áramirányító váltakozó oldali 7

83 feszültségét is állandó értékre állítottuk be (00V eff ). A körülbelül 10%-os feszültség torzítást okozó nemlineáris fogyasztó beüzemelésével az alábbi jelalakokat kaptuk: 4-8. ábra: Egyenirányító üzem: szinuszos, ohmos, új stratégia 4-9. ábra: Váltóirányító üzem: szinuszos, ohmos, új stratégia A teszt rendszeren mért eredményeket a 4-1. táblázatban foglaltam össze, amely az áramirányító hálózati váltakozó feszültség THD torzítási tényezőjének mértékét szemlélteti egyes üzemállapotokban különböző stratégiák alkalmazása esetén. A táblázatból is látható, hogy egyenirányító üzemben nem érdemes az új stratégiát alkalmazni. Azonban kiolvasható, hogy váltóirányító üzemben az új módszer esetében a váltakozó áramú hálózatba visszatáplált áram effektív értéke ugyan a legnagyobb, azonban éppen ezáltal valósul meg a torzított váltakozó áramú hálózat THD torzítási tényezőjének jelentős mértékű csökkenése (9.9% 14.5%), mert az áramirányító ilyen esetben aktív szűrőkhöz hasonló módon üzemel, THD torzítási tényezőt javítja. 1.(sin).(ohm) 3.(ford) Üzemmód AC [A] THD Eltérés Egyenirányító % Váltóirányító % 9.90% Egyenirányító % Váltóirányító 10.50% 14.5% Egyenirányító % Váltóirányító % 0% 4-1. táblázat: Teszt rendszerünkön végzett mérési eredmények ( AC : különböző stratégiák kiválasztása esetén felvett/leadott effektív áramok) 73

84 áram [A] 4.4 Stratégia vizsgálata kéttartományos szimulációkkal Mérések és az elméleti megfontolások alapján egyenirányító üzemben nem érdemes az új stratégiát alkalmazni, ezért a kéttartományos szimulációs vizsgálatokat csak váltóirányító üzemre végeztem. A bekezdésben bemutatott mozdonyok hálózati visszahatásaira alkalmazható vizsgálatokat végeztem. Azt feltételeztem, hogy egy hálózatszennyező mozdony kapcsolódik arra a tápszakaszra, ahol a hálózatbarát mozdony visszatápláló féküzemben lassít, ezáltal a hálózatoldali áramirányító egysége váltóirányító üzemben működik. A vizsgálatok során a hálózatszennyező V43-as mozdony az alállomástól 4km-re, míg a hálózatbarát mozdony 10km-re közlekedik. A hálózatbarát mozdony két áramszabályozási stratégiáját hasonlítottam össze. Első vizsgálatok alkalmával azt feltételeztem, hogy szinuszos áram alapjellel működik a hálózatoldali áramirányítója, míg a másik esetben az új szabályozási stratégiát alkalmaztam. A mozdony hálózatoldali áramirányítóját 500 Hz-es kapcsolási frekvenciával, alternatív üzemben működtettem. A szimulációs környezet segítségével lehetőség nyílt a mozdonyok áramspektrumainak felvételére. Szinuszos alapjel esetén a ábra által személtetett eredmény született: ,1 m1 m 0,01 0,001 frekvencia [Hz] ábra: V43-as ( m) és hálózatbarát mozdony ( m1) áram spektruma (hálózatbarát mozdony szinuszos áramalapjellel üzemelt) A vasúti pálya mentén az alábbi pontokon vizsgáltam a feszültség spektrumokat: - az alállomási transzformátor primer oldalán ( 10kV ) 74