Tom Christian Stensholt, IFEA Kristiansand, november2009 Regulerte motordrifter Frekvensomformer og motorer

Transkript

1 Tom Christian Stensholt, IFEA Kristiansand, november2009 Regulerte motordrifter Frekvensomformer og motorer November 25, 2011 Slide 1

2 TEMA Frekvensomformere og motor Likestrøm/Synkron/Asynkron Strøm-/spenning mellomkrets Regulering av motoren Høyspent/lavspent Anvendelse November 25, 2011 Slide 2

3 Roterende maskiner OPPGAVEN TIL ELEKTRO MOTOREN ER : FREMSKAFFE ET DRIVENDE MOMENT PÅ MOTOR AKSLINGEN. DIMENSJONERENDE FAKTORER ER: TURTALLOMRÅDE EFFEKT/MOMENT SOM LASTEN KREVER November 25, 2011 Slide 3

4 Roterende maskiner Gjeldende for alle typer roterende elektriske maskiner Ankervikling: Dette er en gruppe spoler som det blir indusert spenninger i. Alle disse gir positivt bidrag til resulterende spenning Feltvikling: Denne befinner seg på andre siden av maskinens luftgap, og er den primære kilden til fluksen. November 25, 2011 Slide 4

5 TEMA Frekvensomformere og motorer Likestrøm/Synkron/Asynkron Strøm-/spenning mellomkrets Regulering av motoren Høyspent/lavspent Anvendelse November 25, 2011 Slide 5

6 Likestrømsmaskinen Feltvikling q-akse Dreiemomentet fremkommer fra gjensidig på virkingen mellom fluksen fra feltviklingen og ankerviklingen: Ankervikling d-akse T M = k a *i a * ka ia d Generert spenning fremkommer ved elikeretting a = k a * av f *wspenningen m som blir indusert i ankerviklingen når denne blir dreiet gjennom feltet fra feltspolen. d = maskinavhengig konstant = strøm i ankerkretsen = Flux over luftgapet fra feltspolen November 25, 2011 Slide 6

7 Regulering av likestrømsmotoren (1) Tre metoder for hastighetsregulering: Feltstrømsregulering: Stor feltstrøm = liten hastighet Liten feltstrøm = stor hastighet Regulering av resistans i ankerkretsen: Redusert hastighet ved øket motstand i ankerkretsen Anvendelig der det trengs høye momenter ved lav hastighet. Det utviklede dreiemomentet varierer proporsjonalt med feltstrømmen og omvendt proporsjonalt med hastighet Gir økede tap og dermed lavere virkningsgrad. November 25, 2011 Slide 7

8 Regulering av likestrømsmotoren (2) Regulering av klemmespenningen i ankerkretsen: Proporsjonal forandring i hastighet (ved konstant feltfluks) w = e a /(k a * f ) = e a /(K a *i f ) HOVED BRYTER NETT TRAFO Kontroll av ankerspenning e a STYRT LIKERETTER + Vt - T M = k a *i a * f = K a *i a *i f FELT MATER November 25, 2011 Slide 8

9 TEMA Frekvensomformere og motorer Likestrøm/Synkron/Asynkron Strøm-/spenning mellomkrets Regulering av motoren Høyspent/lavspent Anvendelse November 25, 2011 Slide 9

10 SYNKRON MASKIN: Ankervikling Feltvikling Stator Rotor a c ' f b ' b f' a' c Synkronmaskinen har ikke noe startmoment. November 25, 2011 Slide 10

11 SYNKRON MASKIN:Moment Dreiemomentet fremkommer fra gjensidig påvirkning mellom fluksen fra feltviklingen og ankerviklingen: T M Kippmoment -180º 180º RF T M = K R F f sin RF K = maskin konstant R = resulterende luftgapsflux F f = mmk fra feltviklingen sin RF = Fasevinkel mellom de magnetiske aksene til R og F f Økes det mekaniske momentet over kippmomentet faller rotor ut av synkronisme og hastigheten avtar. November 25, 2011 Slide 13

12 TEMA Frekvensomformere og motorer Likestrøm/Synkron/Asynkron Strøm-/spenning mellomkrets Regulering av motoren Høyspent/lavspent Anvendelse November 25, 2011 Slide 14

13 Asynkronmaskin(1) Ankervikling c ' b f a f' a' Feltvikling b ' c Statorviklingen helt like som i synkronmaskinen Vekselstrøm i både felt og ankervikling Rotor i to utgaver 1. Viklet rotor og sleperinger 2. Kortsluttet burvikling Spenninger induseres i rotor når det er en hastighetsforskjell mellom feltet i stator og rotors mekaniske hastighet. November 25, 2011 Slide 15

14 Asynkronmaskin(2):sakking n 1 = synkron hastighet c' f a b' n = rotors mekaniske hastighet s = (n 1 n)/ n 1 b f' a' c Rotorfeltets hastighet blir s n 1 + n = n 1 Dette gir konstant momentutvikling November 25, 2011 Slide 16

15 Arbeidsområde Asynkronmaskin(3):moment 250 Moment Kippmoment Luftgapsflux en er konstant når forholdet statorspenning og frekvens holdes konstant = Um/f = luftgaps flux 200 MMK fra rotor er prop. med rotorstrømmen IR 150 Utviklet moment blir: Merkemoment Hastighet T = k I R sin r r = elektrisk vinkel mellom resulterende luftgapsfluks og rotors fluks November 25, 2011 Slide 17

16 Asynkron/Synkron/Likestrøm evaluering Det typiske med asynkronmotoren er at den opererer med sakking. Asynkronmaskinen er den suverent billigste normmotoren. Alltid billigere enn likestrømsmotoren. I MW-klassen vil synkronmotoren kunne konkurrere i pris. Prisfordelen øker med økende krav til kapsling av motorer. Asynkronmaskinen er den mest pålitelige motoren, praktisk talt vedlikeholdsfri, tar mer om mer over for likestrømsmaskinen. Kan bygges for høye rotasjonshastigheter også ved ytelser over 10 MW. Ytelsen på AM øker stadig og i dag leveres maskiner over 20MW. November 25, 2011 Slide 18

17 Asynkron/Synkron/Likestrøm evaluering Likestrømsmotoren kjennetegnes med mekaniske børster og kommutator. Likestrømsmotoren er fremmedmagnetisert Likestrømsmaskinen er fremdeles mye i bruk. Det typiske med synkronmaskinen er at den ikke har noe startmoment og trenger en ekstern kilde for magnetisering For ytelser over 20 MW er synkronmaskinen fremdeles rådende. November 25, 2011 Slide 19

18 TEMA Frekvensomformere og motorer Likestrøm/Synkron/Asynkron Strøm-/spenning mellomkrets Regulering av motoren Høyspent/lavspent Anvendelse November 25, 2011 Slide 21

19 Frekvenseomformer En frekvensomformer består av tre hoveddeler. Likeretter DC-mellomkrets Vekselretter November 25, 2011 Slide 22

20 Strøm - / spenning mellom krets En spenningsmatet omformer har kapasitiv mellomkrets. En strømmatet omformer har induktiv mellomkrets Er tvangskommutert Kan forsyne både kapasitiv og induktiv last Like godt egnet som driver for både asynkronmaskin (induktiv last) og synkronmaskin (kapasitiv last) Kan ikke drive induktiv last uten ekstra kondensatorer på utgangen Godt egnet som driver for synkronmaskin Mest benyttet ved effekter > 20 MW November 25, 2011 Slide 23

21 Spenningsstyrt omformer DC-Link Isolation Transformer Rectifier Inverter Filter Motor 3 N Ind. motor November 25, 2011 Slide 24

22 Strømstyrt omformer Basis krets ( 6 P / 6 P ) Id BREAKER MAINS SUPPLY TRANS- FORMER LINE- COMMUTATED CONVERTER Ud UdM DC REACTOR MACHINE- COMMUTATED CONVERTER SYN- CHRO- NOUS MOTOR SM EXCITOR Load Commutated Inverter - LCI November 25, 2011 Slide 25 Source: IAA / Wa / File: LCI1.ppt Slide 17 Rev. 0 /

23 TEMA VALG AV TEKNOLOGI Likestrøm/Synkron/Asynkron Strøm-/spenning mellomkrets Regulering av motoren Høyspent/lavspent Anvendelse November 25, 2011 Slide 27

24 Arbeidsområde Hastighetsregulering av asynkronmotor med spenningsstyrt omformer Vi ønsker å innstille spenning-frekvensforholdet slik at luftgapsfluksen forblir konstant = Um/f 250 Moment Kippmoment Kan belaste maskinen med merkemoment helt ned til stillstand Merkemoment 50 Ws avtar Hastighet November 25, 2011 Slide 28

25 ASYNKRON MASKIN:Momentcontrol T = Tk M = Ik R 2 i a sin sin r r k 2 = konstant Regulatoren i a = ankerstrømmen må regulere spenning og frekvens slik at feltet holdes konstant r = vinkel og mellom rotorsakkingen luftgapsflux ikke og blir rotorflux for stor, samtidig som driftens hastighetskrav = Um/f = motor opprettholdes. flux U M = spenning på klemmene f = frekvensen til statorfeltet Turtalls kontroll Moment kontrol V f AM November 25, 2011 Slide 29

26 Hastighetsregulering av synkronmotor med en strømstyrt omformer T = K R F f sin M =P/w T M = k id cosφ i u/w RF K = konstant maskin konstant R = resulterende luftgapsflux F f = mmk fra feltviklingen synkron motoren sin RF = Fasevinkel mellom de = motorspennig magnetiske aksene til R og F f k id = midlere strøm i omformerens DC ledd φ = faseforskyvningen mellom strøm og spenning i U M n = motorens synkrone turtall = Um/n = motor flux November 25, 2011 Slide 30

27 Strømstyrt omformer Kontroll av motor moment MAINS SUPPLY MAIN CIRCUIT BREAKER CONVERTER INPUT TRANS- FORMER Kontroll av DC strøm id LINE CONVERTER DC REACTOR Kontroll av cos β = cos φ MACHINE CONVERTER T M = k id cosφ U M /n Kontroll av motor flux EXCITER SM SYNCHRO- NOUS MACHINE November 25, 2011 Slide 31

28 Strømstyrt omformer Kontroll av motor moment MAINS SUPPLY MAIN CIRCUIT BREAKER Turtalls regulator 2 Strømregulator CONVERTER INPUT TRANS- FORMER 1 n w SPEED CONTROLLER i d w i d x CURRENT CONTROLLER u lx GATE CON- TROL UNIT LINE CONVERTER n x 3 DC REACTOR F( i dx, n x ) CONTROL GATE CON- TROL UNIT MACHINE CONVERTER 4 u x u w Voltage Controller Voltage Set Value i ew 5 i ex Current Controller Spenningsregulator EXCITER n x SM SYNCHRO- NOUS MACHINE SPEED SENSOR November 25, 2011 Slide 32

29 TEMA Frekvensomformere og motorer Likestrøm/Synkron/Asynkron Strøm-/spenning mellomkrets Regulering av motoren Høyspent/lavspent Anvendelse November 25, 2011 Slide 33

30 Høyspent/lavspent DEFINISJON HØYSPENT 1000 V vekselspenning 1500 V likespenning Mellomspentomformere og motorer i området 1-50 kv: 2.4 kv, 3.3 kv, 4.16kV, 6.0 og 6.6 standardspenning Høyere spenninger blir tilpasset for hver anvendelse Høyspente motordrifter i området >50kV Lavspenningsomformere og motorer: 230 V, 400 V, 500V og 690 V November 25, 2011 Slide 34

31 Anvendelse LASTEN BESTEMMER Likestrømsdrifter finnes opp mot Ampere Anvendelse Skiheiser, Krandrifter Plastikk extrudere Retrofit av gamle DC-drifter Asynkronmotordrifter finnes i området 0,1 20 MW Alle tenkelige anvendelser Synkronmotordrifter finnes i området 2 100MW: Mest brukt over 20 MW for ulike anvendelser hvor slik effekt kreves. November 25, 2011 Slide 35

32 Power [MW] Motor and converter (P,V)-characteristics 100 Conventional insulation machines HVDC Light 10 OLP Troll A 1 Motorformer MV inverters Voltage [kv] November 25, 2011 Slide 36

33 Ormen Lange VSDS 48MW/3600rpm Transformer data SR,HV [MVA] 61,4 U L [kv] 132 SR,LV [MVA] 2*30,7 Uv0/2 [V] 7650 SR,F [MVA] 46 7 UF0 [V] I1S [A] 2318 Iv1 [A] 2430 Line Transformer Converter Machine SC U L u L I L f L S R, e x Y Y Filter and Power- Harmonic filter Factor Correction 24 MVAr System U v0 /2 I v1 I 1S U v0 /2 I v1 I 1S n(s) n(s) DC Reactor L d I d U d /2 n(s) n(s) U M /2 I M U M /2 I M This general overview diagram does not include all components. It describes only the major parts. P Term f M U e I e U LV u LV P Shaft Motor main data 2-pole Turbo motor with 2 stator windings SM1[kVA] Pshaft [kw] Tshaft [knm] 130 UM1/2[V] 6700 IM1[A] 2325 fm1[hz] 60 n[rpm] 3600 Operating range % U M /2 I d I M November 25, 2011 Slide 37

34 Troll November 25, 2011 Slide 38

35 Single Line Diagram 132 kv switchboard Kollsnes Rectifier Station Subsea Cable HVDC Light Cable Troll A platform Inverter Station Motorformer Precompressor Power Transformer HVDC Light Rectifier HVDC Light Inverter 70 km 40 MW 56 kv Gear November 25, 2011 Slide 39

36 Motorformer November 25, 2011 Slide 40

37 November 25, 2011 Slide 41