6.9. endítőkerekes energiatárolók korszerű hajtásai és szabályozási módszerei 6.9.. endítőkerekes energiatároló hajtás működése A lendítőkerekes energiatároló az szögsebességgel forgó tehetetlenségi nyomatékú tömeg E kinetikus energiáját hasznosítja. A maximális kinetikus energia a maximális szögsebességhez tartozik E = θ ω, E max = θ ω max (6.a,b) A tárolható E max energia k-ad részét akarjuk hasznosítani E max = E max -E min = ke max (6.) E min = θ ω min = ( k)e max (6.) ω min = kω max (6.4)
6.9.. ábra. Korszerű lendítőkerék hajtás. a) Blokkvázlat, b) Üzemi tartomány, c) Határok teljes kihasználása. H TE VG M O T. G EN. Á -P m ax m ax m in -M M m ax a) b) P m ax m ax m A kinetikus energia a lendítőkerék villamos hajtásának az m nyomatékával, illetve teljesítményével szabályozható: = de dt = m ω (6.5) P m ax -P m ax P E E m ax T c) E m ax T t
Idők: A következőkben otimális és veszteségmentes viszonyokat tételeztünk fel. Ilyenkor a hajtás T=T in (k)/(k) (6.6) idő alatt kées a lendítőkereket álló állaotból max -ra felgyorsítani, E max kinetikus energiával feltölteni az -- jelű ontoknak megfelelően. Üzem közben maximálisan T = T T in = k k CT VGin (6.7) ideig kées P n =P max teljesítményt leadni/felvenni a lendítőkerekes hajtás. Az 6.9..c. ábra mutatja azt a határokat teljesen kihasználó esetet, amikor a teljesítmény P max között lüktet T eriódus idővel és az E energia E min és E max között változik lineárisan. E = dt
A feladat 6.9.. ábra. A szélgenerátor G és a lendítőkerék teljesítménye. t G Gk Töltés K isütés t A lendítőkerék hajtás feladata lehet l. egy szélgenerátor által szolgáltatott, a turbulencia miatt lüktető G teljesítmény kiegyenlítése. Ez a 6.9.. ábra szerint = Gk G lendítőkerék teljesítményt jelent. 4
Kezdőértékek, közéértékek: A teljesítménylüktetés komenzálásának a megkezdésekor a lendkerék szögsebességét úgy célszerű beállítani, hogy a komenzálási energiatartalék szimmetrikus és egyben maximális legyen. Ehhez E =E k és = k értékek tartoznak: E k = E min+e max ( n = min ). = θ ω k ω k = ω n k k = ω max k (6.8a,b) Pl. k=,75-nél, ω k = ω n,5 E k =,5E min, E max =4E min, k=,9-nél, ω k = ω n 5,5 E k =5,5E min, E max =E min. 5
6.9.. ábra. endítőkerekes energiatároló működési határai k függvényében. A 6.9.. ábra a k függvényében mutatja az energia és szögsebesség határokat, valamint a célszerű közees értékeket a névleges ( n = min, E n =E min ) értékekre normalizálva. 6
A komenzálandó teljesítmény lüktetési frekvenciájának korlátja Ha a lendkerék teljesítmény l. P m amlitúdójú és körfrekvenciájú koszinuszos függvény szerint változik, ekkor a lendkerék energiája szinuszos lefolyású : =P m cos t=m. (6.9) t E = dt + E = P m ω P sinω P t + E (6.) (6..a) alaján a lendítőkerék hajtás szögsebességének és nyomatékának időfüggvényei: ω = ω P sinω P t + ω ω P = P m (6.) θ ω P m = P ω = P m cosω P t ω P sinω P t+ω (6.) 7 Ezek az időfüggvények is eriodikusak, de nem szinuszosak.
6.9.4-5. ábra. Függvények k=,75 energiahasznosítási tényezővel. A használt értékek: P m = ω = ω k = ω n,5 =,5,58 ω P = ω max ω = 4,5 =,5 8
Az első eriódusban az szögsebesség maximuma t=9 -nál van. Ez maximálisan max lehet. A (6.) egyenletből helyettesítéssel, összefüggést kaunk a teljesítménylüktetés megengedett amlitúdója és körfrekvenciája között, arra az esetre, amikor a teljes szögsebesség változási tartományt kihasználjuk: ω P P m = P m( k) (6.) ke max ke min 6.9.6. ábra. Teljesítmény lüktetés amlitúdó és frekvencia korlátai k függvényében. 9
6.9.. endítőkerekes energiatárolók korszerű hajtásai Az 6.9..a. ábra szerint feléített lendítőkerekes hajtások korszerű változataiban TE teljesítményelektronikaként frekvenciaváltót, VG villamosgéként kalickás rövidrezárt forgórészű aszinkrongéet, állandómágneses forgórészű szinuszmezős szinkrongéet és csúszógyűrűs forgórészű kétoldalról tálált aszikrongéet alkalmaznak. Ennek megfelelően a következőkben csak ezzel a három változattal
=5H z f H 6.9... Kalickás forgórészű aszinkrongées lendítőkerék hajtás 6.9.7. ábra. a) Áraminverteres megoldás, ARZ f a b c ÁG i e ÁH Ha Hb Hc m a)
f ÁG ÁH f H =5H z ARZ a b c C u e Hb Hc Ha m b) b) Feszültséginverteres megoldás. Ez a változat kées az 6.9..b. ábrán szemléltetett üzemi tartomány mezőgyengítéses átfogására. AZ ÁG-ből és ÁH-ból álló teljesítményelektronikát az 6.9..b. ábra jelű ontjának megfelelően P n =M n n =P max teljesítményre kell méretezni. Ez egyben az ARZ rövidrezárt aszinkrongé névleges teljesítménye is.
6.9... Állandómágneses forgórészű szinuszmezős szinkrongées lendítőkerék hajtás f ÁG ÁH f H =5H z SZ a b c C u e Hb Hc Ha m 6.9.8. ábra. A feszültséginverteres megoldás. Ugyanazok a megoldások alkalmazhatók állandómágneses forgórészű szinkrongénél mint a kalickás forgórészű aszinkrongénél. endítőkerekes hajtáshoz a szinuszmezőst célszerű alkalmazni Az ÁH és ÁG teljesítményelektronika és az SZ szinkronmotor névleges teljesítménye itt is a jelű onthoz tartozó P n =M n n =P max.
6.9... Csúszógyűrűs forgórészű kétoldalról tálált aszinkrongées lendítőkerék hajtás f a b c f r ÁG ÁH f H =5H z A C S ra rb rc C u e Hb Hc Ha m 6.9.9. ábra. A feszültséginverteres modern megoldás. Az állórészt közvetlenül kacsolják a hálózatra (f =f H =5Hz), a forgórészt edig feszültséginverteren keresztül kacsolják ugyanarra a hálózatra. Ezáltal az f r forgórészköri frekvencia, illetve a fordulatszám változtatható: n =(f f r )/* (6.4) 4
6.9.. ábra. Üzemi tartomány kétoldalról tálált aszinkrongénél. k=,75-höz = /, max =(4/), min =(/). A veszteségeket elhanyagolva az üzemi tartományt az =f /* szinkron szögsebességre szimmetrikusan célszerű felvenni: max = +, min =. Ekkor az energiahasznosítási tényező: m ax -P P m ax m ax m in -M m ax M m ax m k 4 /( ) 5 A teljes szögsebesség tartományban kées M max hajtó (töltő) és M max fékező (kisütő) nyomatékra. Ha a teljesítményt P max P P max =M max min szerint korlátozzuk, akkor a szaggatott tartományokban nem üzemel a hajtás. Az aszinkrongé névleges nyomatéka M An =M max, névleges teljesítménye P An M max =P max /( ). A teljesítményelektronikán csak a forgórészköri teljesítmény áramlik át.
6.9..4. Egyenkörre csatlakozó i i lendítőkerék hajtás eg ÁG 6.9.. ábra v SZ G f a b c G i C C eh u e ÁH Ha Hb Hc f H H Á G i e f A a b c 6 A teljesítménylüktetés komenzációja a közbülső egyenkörben is elvégezhető. Egyforma nagyságú közbülső körű egyenfeszültséget választva a szélgenerátor hajtás és a lendítőkerekes hajtás hálózati áramirányítói összevonhatók. A közös ÁH hálózati áramirányítón már lüktetésmentes Gk közees teljesítmény áramlik át.
6.9.. endítőkerekes energiatároló hajtások korszerű szabályozási módszerei ÁG ÁH VG Ga Gb Gc Ha Hb Hc H álózat va, vb, vc Á ram vektor szab ályozás va, vb, vc Á ram vektor szab ályozás 7 6.9.. ábra Bármely villamosgéekhez és a háromfázisú hálózathoz teljesen megegyező, feszültséginverter kacsolású áramirányítók csatlakoznak. Ennek megfelelően a legbelső szabályozási hurokban lévő közvetlen vagy közvetett áramvektor szabályozások is hasonlóak.
6.9.4. Teljesítmény lüktetés szabályozása 6.9.4.. Teljesítmény lüktetés szabályozásának megvalósítása Á G Á H A f f H SZ Á G SZ Á H G Gk G a a m a FA U ea SZ MA SZ U E u e H a q H a 6.9.. ábra. Háromfázisú hálózatra csatlakozó kalickás aszinkrongées lendítőkerekes hajtás szabályozókörének a blokkvázlata. 8
A lüktető villamos teljesítmény mért G illanatértékéből az SZ szűrő előállítja a Gk közéértéket és e két teljesítmény különbsége adja a lendítőkerekes hajtás Ga villamos teljesítményének az alajelét: Ga = Gk G. (6.) A Ga -ból és az lendítőkerék szögsebességből nyomaték alajelet állít elő az MA egység: m a =( Ga v )/, ha min < < max, (6.a) m a =m v, ha min, vagy max. (6.b) Az és az m a jelekből az FA egység meghatározza az A kalickás aszinkrongé fluxusának a a alajelét. A géoldali SZÁG szabályozó, az ÁG áramirányítón keresztül, végzi az A aszinkrongé nyomatékának és fluxusának a szabályozását. A szabályozás történhet mezőorientált áramvektor szabályozással (ekkor a az A rotorfluxusának az alajele), vagy közvetlen nyomaték és fluxus szabályozással (ekkor a az A állórészfluxusának az alajele). 9
A hálózatoldali SZUE feszültségszabályozó az u e egyenfeszültséget szabályozza az általa előírt Ha hatásos teljesítmény alajellel. A SZUE feszültségszabályozó azt biztosítja, hogy a közbülsőköri C kondenzátor u e feszültsége és (/)C energiája állandó maradjon, azaz ne torlódjon fel energia a közbülső egyenáramú körben. A q Ha meddő teljesítmény alajelet külső, hálózati igények szabják meg. Az SZÁH szabályozó, az ÁH áramirányítón keresztül, végzi a lendítőkerekes hajtás villamos hatásos és meddő teljesítményének a szabályozását. A szabályozás történhet hálózatorientált áramvektor szabályozással, vagy közvetlen hatásos és meddő teljesítmény szabályozással. A kalickás aszinkrongées lendítőkerekes energiatároló hajtás ezzel az erősáramú és szabályozó körrel minden fajta lüktető teljesítmény komenzálására alkalmazható. Hasonló feléítésű az állandómágneses szinkrongées lendítőkerék hajtás. A kétoldalról tálált aszinkrongées lendítőkerék hajtás blokkvázlata annyiban eltérő, hogy ott mezőgyengítés nem lehetséges.
6.9.4.ábra. Állandómágneses szélgenerátor egyenkörére csatlakozó lendítőkerekes hajtás szabályozókörének a blokkvázlata. SZG ÁG ieg ieh ÁH v f G f H SZ SZ Á G G m érő SZ Á H a K SZ V n Ga n G SZ N m Ga U ea u e Ha SZ U E q Ha Á G ie A f SZ Á G G Gk G a SZ MA a m a FA
A lendítőkerék hajtás ÁG géoldali áramirányítójának a szabályozása most is ugyanúgy történik mint a 6.9.. ábrán. A generátor hajtás és a lendítőkerék hajtás közös ÁH hálózati áramirányítóját úgy kell szabályozni mint a 6.9.. ábrán az ÁH áramirányítót. A különbség csuán annyi, hogy most az ÁH áramirányítón a G + H eredő teljesítmény áramlik át. Ennek megfelelően az SZUE feszültség szabályozó Ha Gk hatásos teljesítmény alajelet állít be. A lendítőkerekes energiatároló hajtás ezzel az erősáramú és szabályozó körrel akkor alkalmazható, ha a lüktető teljesítmény forrása (l. a szélgenerátor) közbülső egyenáramú körös frekvenciaváltós hajtással rendelkezik. Ebben az esetben is mutatkozhatnak roblémák, éldául a kétoldalról tálált aszinkrongénél a teljesítmények a körülményes mérése miatt. Ha a lüktető teljesítményforrás teljesítményelektronikája a 6.9.4. ábrán látható állandómágneses szélgenerátorral megegyező feléítésű, akkor a lüktető G teljesítmény az ÁG áramirányító egyenáramú oldalán G =u e i eg szerint egyszerűen számítható és mérhető.
6.9.4.. Teljesítmény lüktetés szabályozásának szimulációja (MATAB Simulink) Példaként a 6.9.. ábrán bemutatott rendszer szimulációjának vizsgálatát mutatjuk be (A). Egyszerűsítések: A lüktető teljesítmény forrásaként szélgenerátort tételeztünk fel. A szélgenerátort a lüktető G teljesítményével vettünk figyelembe. A feszültséginverter kacsolású, ISZM vezérlésű áramirányítókat szabályozható amlitúdójú és frekvenciájú szinuszos feszültség forrásokkal modelleztük. A kalickás aszinkron gé (A), a hálózat, a mechanikai rész és az egyenkör ontos állaotegyenleteivel szereel a modellben. A szimulációban termelői ozitív irányokkal dolgoztunk, így a hálózatba adott (a lendítőkereket kisütő) teljesítmény lett ozitív előjelű.
A vizsgált folyamat: A lendítőkerék k =,58u szögsebességgel forog (6.9.8.b), k=,75. A szélgenerátor Gk közees teljesítményéhez egy állandó P G amlitúdójú és T eriódus idejű szinuszos turbulens lüktetést injektálunk. Ennek megfelelően a szélgenerátor teljesítménye: G = Gk + G. A G teljesítménylüktetés különböző fázishelyzetében kezdjük el a lendítőkerekes energiatárolóval a lüktetés komenzálását ( Ga = G ). A rendszer aramétereit a következőkre állítottuk, összhangban az elméleti vizsgálatokkal és a célul kitűzött komenzálási tartományokkal: T =min=885u.; k=,75 ( min =u, max =u); P Gk =u a legtöbb esetben; T VGin =s=4u; C=7; T in =7*4=98u (így a (6.7) szerinti T=,5s, ami kisebb mint min, de a a folyamatok alatt többségében így is messze van a P max =u értéktől). 4
6.9.4... Tökéletes komenzáció Ha a rendszer nem éri el korlátait, a komenzáció tökéletes. Ehhez kicsi lüktetési amlitúdó szükséges: P G =,4-re lett választva. A számítási idő 4u. A komenzáció kezdete a G negatív maximumánál (t=(/4)t =48-nál) van. Az így kialakuló szimmetrikus kisütési-töltési eriódusok közéértékét és a komenzálási tartalékot változatlanul, a kiindulási otimális értéken hagyják. Jól látszik a mezőgyengítés (6.9.4a,d. ábrák). 5
6.9.5. ábra (). Tökéletes komenzáció.... q i A idiq d.5 mw -. -. -. -.4.5.5..4.6.8 a) G +.5 m -.5 4.8.7.6.5.4.. b) szir r t [ 4 u] x 4 6 -.5 4 c) t [ 4 u] x 4. 4 d) t [ 4 u] x 4
... 6.9.5. ábra (). A folyamat időbeli lefolyása (klikk a kére) q i A idiq d.5 mw -. -. -. -.4.5.5..4.6.8 a) G +.5 m -.5 4.8.7.6.5.4.. b) szir r t [ 4 u] x 4 7 -.5 4 c) t [ 4 u] x 4. 4 d) t [ 4 u] x 4
6.9.4... üktető komonens fázishelyzetének hatása 6.9.6. ábra.5.5 G +.5.5 m -.5 4 a) t [ 4 u] x 4 -.5 4 a. A aszinkrongé nyomatéka és szögsebessége, b. endkerék teljesítménye és a G + eredő teljesítmény. b) t [ 4 u] x 4 8
9 6.9.4... Fordulatszám korlátozások eriódikusan 6.9.7. ábra ().4. -. -.4 -.6.5.5 -.5 q 5 6 -...4.6.8 G + 4 a) - 4 5 c) 7 5 4 6 i A 7 d t [ 4 u] x 4.5.5.5 -.5 4 mw - 4 5.9.8.7.6.5.4... b) 4 5 6 7 x 4 4 5 d) 5 r 6 7 m t [ 4 u] t [ 4 u] x 4
6.9.7. ábra () A folyamat időbeli lefolyása (klikk a kére).4. -. -.4 -.6.5.5 -.5 q 5 6 idiq -...4.6.8 G + 4 a) - 4 5 c) 7 5 4 6 i A 7 d t [ 4 u] x 4.5.5.5 -.5 4 mw - 4 5.9.8.7.6.5.4... b) 4 5 6 7 x 4 4 5 d) 5 r 6 7 m t [ 4 u] t [ 4 u] x 4
.5.5 -.5 -.5.5.5 -.5-6.9.4..4. Összes korlát elérése 6.9.8. ábra () 4 5 6 4 5 G + 4 5 a) 7 8 9 x 4 -.5 4 5 6 7 b) 8 9 m t [ 4 u] t [ 4 u] x 4.5.5 4 9 - -.5.5 c) 6.9.8. ábra. Összes korlát elérése. a. A aszinkrongé nyomatéka és szögsebessége, b. endkerék teljesítménye és a G + eredő teljesítmény, c. Komenzálási folyamat az -m síkon. 8 7 5 6 m
.5.5 -.5 -.5.5.5 -.5-6.9.8. ábra () A folyamat időbeli lefolyása (klikk a kére) 4 5 6 4 5 G + 4 5 a) 7 8 9 x 4 -.5 4 5 6 7 b) 8 9 m t [ 4 u] t [ 4 u] x 4.5.5 4 9 - -.5.5 c) 6.9.8. ábra. Összes korlát elérése. a. A aszinkrongé nyomatéka és szögsebessége, b. endkerék teljesítménye és a G + eredő teljesítmény, c. Komenzálási folyamat az -m síkon. 8 7 5 6 m
A villamos gé veszteségeinek komenzálása 6.9.8. ábra.5.5.5 G +.5 -.5-4 5 a) m t [ 4 u] x 4.5 -.5 - -.5 4 5 a. A aszinkrongé nyomatéka és szögsebessége, b. endkerék teljesítménye és a G + eredő teljesítmény. b) t [ 4 u] x 4