Wykorzystanie niskonapięciowych przemienników częstotliwości (ich podzespołów) do modułowych podstacji trakcyjnych 3kV dc współpracujących ze źródłami energii OZE i zasobnikami energii
W artykule zaproponowano modułowy 12-pulsowy prostownik trakcyjny 3 kV dc zbudowany z niskonapięciowych modułów prostowników 6-pulsowych ze wstępnym ładowaniem baterii kondensatów jako alternatywa dla tradycyjnego rozwiązania.
Rys. redakcja EI
Dla sprawdzenia
prawidłowości przedstawionych w artykule wniosków opracowano elektryczny
model obwodowy modułowego prostownika podstacji 3 kV dc i przeprowadzono badania symulacyjne [8].
Przeprowadzone badania symulacyjne przedstawione w [8] potwierdzają stałą
wartość napięcia trakcyjnego niezależnie od zmian obciążenia podstacji.
Zobacz także
dr inż. Adrian Bilski Metoda prognozy produkcji energii wiatrowej z horyzontem jednodniowym oparta na algorytmach sztucznej inteligencji
Rozwój współczesnej energetyki zmierza w kierunku uzyskania największego udziału energii odnawialnej w bilansie energetycznym, reprezentowanej przez energię wiatrową pozyskiwaną z turbin oraz energię słoneczną...
Rozwój współczesnej energetyki zmierza w kierunku uzyskania największego udziału energii odnawialnej w bilansie energetycznym, reprezentowanej przez energię wiatrową pozyskiwaną z turbin oraz energię słoneczną pozyskiwaną z paneli fotowoltaicznych [1, 2]. Przewaga energetyki wiatrowej nad słoneczną wynika z jej większych zasobów środowiskowych oraz bardziej efektywnej technologii wytwarzania energii [3, 4].
Redakcja Integracja systemów sterowania szansą na zwiększenie rentowności w przemyśle
Podczas rozmów o zwiększaniu rentowności zakładów przemysłowych na pierwszy plan wysuwa się cyfryzacja jako narzędzie do optymalizowania efektywności działań. Jednak zbieranie i analiza informacji płynących...
Podczas rozmów o zwiększaniu rentowności zakładów przemysłowych na pierwszy plan wysuwa się cyfryzacja jako narzędzie do optymalizowania efektywności działań. Jednak zbieranie i analiza informacji płynących z Internetu rzeczy to nie wszystko – równie ważnym elementem inteligentnej fabryki są dobrze przemyślane panele sterowania, zawierające intuicyjne i ergonomiczne interfejsy przemysłowe, które można personalizować zgodnie z potrzebami firmy.
dr inż Bartosz Polnik Uniwersalny układ napędu elektrycznego podwyższający poziom bezpieczeństwa technicznego maszyn górniczych
W artykule przedstawiono stan wiedzy w zakresie stosowanych układów zasilania spągoładowarek górniczych. Zaprezentowano wyniki badań zapotrzebowania na energię przedmiotowej maszyny, na podstawie których...
W artykule przedstawiono stan wiedzy w zakresie stosowanych układów zasilania spągoładowarek górniczych. Zaprezentowano wyniki badań zapotrzebowania na energię przedmiotowej maszyny, na podstawie których sprecyzowano założenia techniczno-technologiczne innowacyjnego rozwiązania. Zaprezentowano również przebieg dalszych prac zmierzających do opracowania ww. układu zasilającego oraz wskazano perspektywy rozwoju napędów górniczych maszyn małej mechanizacji w perspektywie najbliższych lat.
W artykule:• Opis właściwości i zasady działania zespołu tradycyjnego 12-pulsowego trakcyjnego prostownika diodowego• Niskonapięciowy moduł prostownika 6-pulsowego dla podstacji trakcyjnej • Idea trakcyjnego prostownika 12-pulsowego z niskonapięciowymi modułami prostowników 6-pulsowych
|
Tradycyjnie zbudowany 12-pulsowy prostownik ma właściwości, które niekorzystnie oddziałują na napięcie kolejowej sieci trakcyjnej napięcia stałego. Relatywnie duża wartość indukcyjności L dławika zwarciowego (np. L = 4 mH) w stosunku do pojemności filtrów dolnoprzepustowych wykorzystujących kondensatory o pojemności łącznej mniejszej niż 1 mF powoduje, że prostownik ma charakter źródła napięciowego o dużej indukcyjnej impedancji wewnętrznej. Uproszczony schemat prostownika trakcyjnego przedstawiono na rys. 1.
Rys. 1. Zespół tradycyjnego 12-pulsowego trakcyjnego prostownika diodowego z transformatorem trójuzwojeniowym Yyd w kolejowej podstacji trakcyjnej (bez filtrów rezonansowych LC) [1, 2]; rys. J. Szymański
Przy zmianach obciążenia prostownika trakcyjnego występują znaczące wahania napięcia sieci trakcyjnej (UL = L di/dt). Wartości maksymalne i minimalne napięć granicznych w odniesieniu do czasu trwania dla systemu trakcji 3 kV dc według PN‑EN50163 przedstawiono w tab. 1.
Tab. Dopuszczalne wartości napięcia trakcyjnego dla trakcji 3 kV dc wg PN-EN 50163
Zamieszczone w tab. 1. wartości maksymalne napięcia trakcyjnego są mierzone na szynach zbiorczych podstacji trakcyjnej bez obciążenia, a wartości minimalne na pantografie pojazdu przy pełnym obciążeniu w warunkach normalnych.
Zadania powietrznego dławika zwarciowego trakcyjnego zespołu prostowniczego z rys. 1. to:
- ograniczenie stromości narastania prądu zwarciowego, a przez to ograniczenie szybkości narastania i wartości maksymalnej prądu wstępnego ładowania kondensatorów filtrów wygładzających napięcie sieci trakcyjnej, po dołączeniu prostownika do sieci zasilania,
- ograniczenie zawartości harmonicznych prądu w uzwojeniach d i y transformatora Yyd, przez co następuje zmniejszenie jego strat cieplnych, przebiegi prądów w uzwojeniach dolnych y i d transformatora moją kształt zbliżony do prostokątnego (THDi wynosi ok. 15%–20%).
Dwunastopulsowy prostownik szeregowy jest zasilany z transformatora trójuzwojeniowego Yyd.
Dla uzyskania 12 pulsów napięcia wyprostowanego wykorzystywane jest 30° przesunięcie napięć fazowych w uzwojeniach dolnych transformatora y i d.
W prostownikach 12-pulsowych uzyskujemy harmoniczne w prądzie uzwojenia pierwotnego (górnego) Y transformatora Yyd rzędów 12n±1 przy założeniu symetrii zasilania transformatora. Duża wartość indukcyjności dławika powietrznego zwarciowego (tu: L=4mH [2]) powoduje, że podstacja trakcyjna ma charakter źródła prądowego, dlatego do rozładowania energii zgormadzonej w indukcyjności dławika (WL = 1/2 L · IL2) dołączony jest tu przeciwrównolegle tyrystor rozładowczy.
Zawartość wyższych harmonicznych w wyprostowanym napięciu trakcyjnym ma być ograniczona do amplitudy 16,5 V dla podstacji trakcyjnej o napięciu nominalnym 3,3 kV [3] i do tego celu wykorzystuje się dolnoprzepustowe filtry gamma LC oraz szeregowe filtry rezonansowe LC dla częstotliwości 600 Hz i 1200 Hz.
Rozwój przekształtników napędowych powoduje ich szybkie rozpowszechnianie się w napędach urządzeń kolejowych. Trakcyjne napędy przekształtnikowe wymagają do właściwej pracy napięć trakcyjnych nie niższych niż 2,8–3 kV, w przeciwnym przypadku moc tych pojazdów jest ograniczona, a w skrajnych przypadkach ulegną zatrzymaniu [4].
Dla zapewnienia większej stabilizacji napięcia sieci trakcyjnej w szczególności dla potrzeb zasilania taboru trakcyjnego z napędowymi przekształtnikami energoelektronicznymi w artykule zaproponowany jest nowy rodzaj 12-pulsowego prostownika trakcyjnego wykorzystującego niskonapięciowe 6-plusowe moduły prostownicze z obwodami wstępnego ładowania baterii kontestatorów.
Każdy moduł prostownika 6-plusowego ma identyczną budowę, co znacząco ułatwia proces projektowania i eksploatacji modułowego układu prostowniczego podstacji trakcyjnej. 6-pulsowe moduły prostownicze mogą też dodatkowo wykorzystywać energię z niskonapięciowych paneli fotowoltaicznych i współpracować z zasobnikami energii.
Niskonapięciowy moduł prostownika 6-pulsowego dla podstacji trakcyjnej
W proponowanym układzie prostownika 12-pulsowego zastosowano prostowniki 6-pulsowe o budowie znanej z niskonapięciowych napędowych przemienników częstotliwości (rys. 2.). Przemysłowe przemienniki częstotliwości, które są zasilane z niskonapięciowej sieci energetycznej, osiągają obecnie moce 1,5 MW i składają się z dwóch zasadniczych podzespołów mocy:
Rys. 2. Obwód mocy niskonapięciowego przemysłowego napędowego przemiennika częstotliwości z falownikiem dwupoziomowym; rys. J. Szymański
- 6-pulsowego diodowego prostownika z baterią kondensatorów elektrolitycznych do gromadzenia energii prądu stałego. Energia zgromadzona w baterii kondensatorów zasila falownik w zastosowaniach napędowych. W zastosowaniu trakcyjnym energia zgromadzona w baterii kondensatorów elektrolitycznych jest wykorzystana głównie na potrzeby zasilania trakcji kolejowej napięcia stałego 3 kV,
- falownika dwupoziomowego do sterowania silnikiem indukcyjnym klatkowym w zastosowaniach przemysłowych. W zastosowaniu trakcyjnym falownik może być wykorzystywany do napędu silnika w zasobniku energii podstacji trakcyjnej, np. w systemach zasobników energii z przepompowniami.
Zastosowanie prostowników 6-plusowych przemienników częstotliwości, w opisanej w dalszej części tego artykułu konfiguracji trakcyjnego prostownika 12-pulsowego otwiera nowy ważny obszar zastosowań tych prostowników. Tym samym może być wyeleminowana potrzeba budowania specjalizowanych prostowników 12-plusowych przeznaczonych jedynie dla potrzeb kolejowych podstacji trakcyjnych.
Tradycyjne 12-pulsowe prostowniki trakcyjne mogą zostać zastąpione sprawdzonymi w działaniu i powszechnie stosowanymi w przemysłowych przemiennikach częstotliwości modułami diodowych prostowników 6-pulsowych.
Bateria kondensatorów umieszczona między prostownikiem 6-pulsowym i falownikiem w napędowych przemiennikach częstotliwości odgrywa podwójną rolę:
- zapewnia napięcie stałe zasilania falownika o małej zawartości niepożądanych składowych napięcia przemiennego,
- umożliwia za pośrednictwem diod zwrotnych falownika przepływ mocy biernej między baterią kondensatorów i silnikiem.
Dla sieci o napięciu 3x400 V/50 Hz zwykle wypadkowa pojemność baterii kondensatorów wynosi ok. 30 μF‑50 μF na 1 A prądu silnika.
I tak:
- dla silnika indukcyjnego 200 kW/400 V (VLT5252 [7]), pojemność baterii w przemienniku częstotliwości wynosi ok. 5x2350 μF,
- bank kondensatorów elektrolitycznych będzie zawierał kondensatory w ilości: 5x2x4700 μF/450 VDC.
Wartość indukcyjności L dławików dc przemysłowych przemienników częstotliwości, po przeliczeniu dla strony napięcia przemiennego prostownika 3f6d powinna powodować ok. 3% spadek napięcia fazowego transformatora przy przepływie nominalnego prądu wejściowego tego prostownika i uwzględnieniu indukcyjności rozproszenia uzwojeń y i d (efektywna impedancja zwarcia [5]), Wówczas THDi prądu płynącego przez uzwojenia transformatora zasilającego będzie wynosić ok. 44%.
Cechą charakterystyczną prostownika 6-pulsowego w przemysłowym przemienniku częstotliwości jest silnie pojemnościowe obciążenie prostownika, dlatego są tu stosowane dodatkowe układy wstępnego ładowania baterii kondensatorów obwodu pośredniego przemiennika częstotliwości. Relatywnie małe wartości indukcyjności dławików dc i duże pojemności baterii kondensatorów elektrolitycznych w napędowych przemiennikach częstotliwości powodują, że falownik jest zasilany ze źródła napięcia stałego o małej impedancji wewnętrznej.
Przy zastosowaniu zasilaczy napięcia stałego przemysłowych przemienników częstotliwości do zbudowania 12-pulsowego prostownika trakcyjnego, sieć trakcyjna będzie zasilana ze źródła napięciowego (tradycyjna podstacja trakcyjna zachowuje się jak źródło prądowe).
Oprócz stabilnej wartości napięcia sieci trakcyjnej, niezależnie od obciążenia podstacji, należy spodziewać się także znaczącego zmniejszenia wyładowań łukowych pomiędzy pantografem pojazdu i przewodem trakcyjnym [8].
Idea trakcyjnego prostownika 12-pulsowego z niskonapięciowymi modułami prostowników 6-pulsowych
Rys. 3. Moduł prostownika 12-pulsowego z biegunami dodatnim i ujemnym baterii kondensatorów połączonymi z prostownikami 6-pulsowymi; rys. J. Szymański
Rys. 4. Proponowany prostownik trakcyjny 12-pulsowy zbudowany z modułów prostowniczych występujących w przemysłowych przemiennikach częstotliwości; rys. J. Szymański
Idea budowy modułowego prostownika 12-plusowego podstacji trakcyjnej polega na wykorzystaniu dwóch przemysłowych przemienników częstotliwości z wejściowymi prostownikami 6-pulsowymi, które zgodnie ze schematem na rys. 3. mają szeregowo połączone baterie kondensatorów i są zasilane z przekształtnikowych suchych transformatorów trójzwojowych Yyd.
Podstawową różnicą w stosunku do klasycznego trakcyjnego prostownika 12-pulsowego przedstawionego na schemacie elektrycznym pokazanym na rys. 1. jest tu połączenie bieguna dodatniego i ujemnego baterii kondensatorów z biegunem dodatnim i ujemnym prostowników 6-pulsowych poprzez dławiki DC o indukcyjności L [5, 6].
Przykładowo wykorzystując niskonapięciowe przemienniki częstotliwości o mocy jednostkowej 500 kW/1000 A i napięciu zasilania 3´400 V/50 Hz, których obwody prostownicze są połączone jak na schemacie na rys. 4. otrzymujemy prostownik 12-pulsowy o napięciu nominalnym 3,36 kV i mocy nominalnej 3 MW oraz efektywnej pojemności baterii kondensatorów Cef = 5 mF (103x30 μF:6).
Zwielokrotnienie mocy nominalnej prostownika trakcyjnego uzyskuje się tu przez równoległe włączenie do linii napięcia SN bloków przekształtników przedstawionych na rys. 4.
Dla omawianego przykładu, poprzez równoległe łączenie zespołów prostowniczych uzyskujemy moce 6 MW – dla 2 gałęzi równoległych i 9 MW dla 3 gałęzi równoległych.
Wnioski
Koncepcja budowy 12-pulsowego prostownika trakcyjnego 3 kV dc opartego na niskonapięciowych modułach prostowników 6-pulsowych diodowych ze wstępnie ładowaną baterią kondensatorów ma zalety stałonapięciowego źródła napięciowego o malej impedancji wewnętrznej. Moduły tego typu niskonapięciowych prostowników 6-pulsowych są znane z zastosowań w niskonapięciowych przemysłowych przemiennikach częstotliwości (lub inaczej przekształtnikach częstotliwości i napięcia) w napędach silników asynchronicznych.
Rys. 5
Uzyskanie napięcia sieci trakcyjnej o stałej wartości i nie niższej niż 3 kV, tak w stanach przejściowych, jak i w stanie quasi ustalonym pracy podstacji, ma tutaj zasadnicze znaczenie. Jednocześnie napięcie sieci trakcyjnej, ze względu na dużą wartość pojemności wypadkowej baterii kondensatorów może mieć składową napięcia przemiennego o amplitudzie mniejszej od 5 V, co zapewnia spełnienie najbardziej rygorystycznych zaleceń kolejowych (np. GOST [4]) bez stosowania szeregowych filtrów rezonansowych LC dla harmonicznych 600 Hz i 1200 Hz.
Dla sprawdzenia prawidłowości przedstawionych w artykule wniosków opracowano elektryczny model obwodowy modułowego prostownika podstacji 3 kV dc i przeprowadzono badania symulacyjne [8]. Przeprowadzone badania symulacyjne przedstawione w [8] potwierdzają stałą wartość napięcia trakcyjnego niezależnie od zmian obciążenia podstacji.
Baterie kondensatorów 6-pulsowych prostowników, w modułowym prostowniku trakcyjnym, można dodatkowo zasilać z paneli fotowoltaicznych [9], ograniczając tym samym zużycie energii sieci elektroenergetycznej. Przykładową realizację schematu podłączenia paneli fotowoltaicznych do baterii kondensatorów i zasobnika energii współpracującego z silnikiem (np. synchronicznym) przedstawiono na rys. 5.
Literatura
- CNTK Standardy Techniczne: Szczegółowe warunki techniczne dla modernizacji lub budowy linii kolejowych do prędkości Vmax ≤ 200 km/h (dla taboru konwencjonalnego) / 250 km/h (dla taboru z wychylnym pudłem) TOM IV URZĄDZENIA TRAKCJI ELEKTRYCZNEJ / ELEKTROENERGETYKI TRAKCYJNEJ Wersja 1.1, Warszawa, 2009
- PROIN Projekt wykonawczy Elektroenergetyka. Tom 1. Podstacja trakcyjna Skokowa. Zlecenie Nr EZ12-Ez6-16/11/2012 – Wałbrzych, listopad - 2013
- Szeląg A., Maciołek T.: Analiza efektywności filtrów wygładzających w podstacjach trakcji kolejowej 3kV DC przy zaburzeniach napięcia zasilającego. Technika transportu Szynowego, Nr 5, 2013
- Rojek A.: Jakość energii elektrycznej w kolejowym systemie elektroenergetycznym. Problemy Kolejnictwa – Instytut Kolejnictwa, Tom 137/138, 2003
- Szymański J. Harmoniczne prądu i napięcia w sieci zasilającej wprowadzane przez prostowniki wejściowe napędowych przemienników częstotliwości. ElektroInfo, Nr 9, 2007
- ELHAND Transformatory Sp. z o.o. Filtry harmonicznych dla przekształtnikowych układów napędowych. ElektroInfo, Nr 4, 2016
- Danfoss - Zalecenia projektowe VLT5000 - MG.52.B2.02, 2010
- Szymański J. Model i badania symulacyjne modułowego 12-pulsowego prostownika podstacji trakcyjnej z 6-pulsowymi prostownikami diodowymi stosowanymi w przemysłowych przemiennikach częstotliwości. Technika Transportu Szynowego, nr 12, 2016
- M.R. Islam et al., Power Converters for Medium Voltage Networks. Green Energy and Technology. DOI
- 1007/978-3-662-44529-7_2, Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2014
![Rys. 1. Zespół tradycyjnego 12-pulsowego trakcyjnego prostownika diodowego z transformatorem trójuzwojeniowym Yyd w kolejowej podstacji trakcyjnej (bez filtrów rezonansowych LC) [1, 2]](https://www.elektro.info.pl/media/cache/typical_view/data/201905/wykorzystanie-nn-przemiennikow-cz-rys1.jpg)
