Pokračujeme v díle těch,
kteří byli první.

Aktuální vydání

Číslo 11/2016 vyšlo tiskem
7. 11. 2016. V elektronické verzi na webu od 1. 12. 2016. 

Téma: Rozváděče a rozváděčová technika; Točivé stroje a výkonová elektronika

Hlavní článek
Lithiové trakční akumulátory pro elektromobilitu

Aktuality

Fakulta elektrotechnická je na špici excelentního výzkumu na ČVUT Expertní panely Rady vlády pro výzkum, vývoj, inovace (RVVI) vybraly ve II. pilíři…

Švýcaři v referendu odmítli uzavřít jaderné elektrárny dříve V referendu hlasovalo 45 procent obyvatel, z toho 54,2 procent voličů řeklo návrhu na…

Fakulta elektrotechnická ČVUT v Praze pořádá 25. 11. 2016 den otevřených dveří Fakulta elektrotechnická ČVUT v Praze pořádá 25. listopadu od 8.30 hodin Den otevřených…

Calliope mini – multifunkční deska Calliope mini poskytuje kreativní možnosti pro každého. A nezáleží na tom, zda jde o…

Ocenění v soutěži České hlavičky získal za elektromagnetický urychlovač student FEL ČVUT Student programu Elektronika a komunikace Fakulty elektrotechnické ČVUT v Praze Vojtěch…

Češi v domácnostech více svítí a experimentují se světlem, doma mají přes 48 milionů svítidel Češi začali v domácnostech více svítit a snaží se vytvořit lepší světelné podmínky:…

Více aktualit

UPS – nepřetržitá dodávka elektrické energie s asynchronním kroužkovým generátorem

UPS – nepřetržitá dodávka elektrické energie s asynchronním kroužkovým generátorem

doc. Ing. František Veselka, CSc.,
ústav výkonové elektrotechniky a elektroniky FEKT UVEE v Brně

This paper is dedicated to matters of special electrical machines with slip contacts. It is presented the utilization of friction knot innovation by asynchronous slip ring generators working in an uninterruptible power system. The innovation is based on application of brushes of the sT type. After long-term verification tests are herein introduced achieved results focused not only on brush wear but also on the quality of ring external surface.

Příspěvek je věnován problematice speciálních elektrických strojů s kluzným kontaktem. Prezentováno je využití inovace třecího uzlu u asynchronního kroužkového generátoru, pracujícího v systému nepřetržité dodávky elektrické energie. Inovace spočívá v použití kartáčů v provedení sT. Po dlouhodobých ověřovacích zkouškách jsou prezentovány dosažené výsledky, orientované nejen na posouzení velikosti opotřebení kartáčů, ale i na kvalitu vnějšího povrchu kroužků.

1. Úvod

Potřeba zdrojů nepřerušitelného napájení (UPS – Uninterruptible Power Supply) se objevila v návaznosti na růst úrovně využití řízení a regulace elektronickými obvody v různých oborech průmyslové výroby.

Zpočátku šlo zejména o oblasti, ve kterých zajišťovaly řídicí a měřicí systémy bezpečný chod mechanických zařízení. Při jejich výpadku, vlivem přerušení dodávky síťového napětí, bylo nutné zabezpečit bezporuchové odstavení výrobního zařízení nebo zajistit nouzové osvětlení. Pro tyto účely se využívalo zálohování sadami akumulátorů, které byly doplněny nabíječem a rozváděčem.

Postupně byly tyto tři systémy – nabíječ, akumulátor a střídač, integrovány do jednoho kompaktního celku, pro který se vžil název zdroj nepřerušitelného napájení nebo také UPS (tato zkratka bude používána v dalším textu).

2. Rozdělení záložních zdrojů

Existuje množství různých typů zdrojů nepřerušitelného napájení, které se navzájem liší principem činnosti a v návaznosti na to také kvalitou výstupního napětí. Nejjednodušší je rozdělení UPS do dvou základních skupin:

  • UPS off-line,
  • UPS on-line.

    Podle zapojení lze UPS dále rozdělit do těchto tří skupin:

  • zapojení off-line (obr. 1),
  • zapojení on-line (obr. 2),
  • zapojení line interactive (obr. 3).

    3. Typická architektura

    UPS je zařízení, které ve své základní variantě dokáže překlenout krátkodobý výpadek elektrické energie a u dlouhodobého výpadku poskytuje potřebnou dobu k přechodu na napájení ze záložních zdrojů elektrické energie. Zátěž je napájena ze střídače, nikoliv přímo ze sítě.

    Typ UPS off-line – střídač není připojen k síti sériově, nýbrž paralelně jako pasivní záloha (obr. 4). Nepracuje stále, ale jen tehdy, jsou-li parametry sítě mimo toleranci. Architekturu doplňují filtry.

    Typ UPS on-line (dvojitá konverze) má střídač sériově vložen mezi síť a uživatele (obr. 5). Elektrický výkon přes něj prochází trvale.

    Typ UPS line interaktive má střídač připojen paralelně a zálohuje napájecí síť, jakož i zabezpečuje nabíjení akumulátoru. Díky reverznímu provozu pracuje v interakci se sítí.

    4. Základní parametry a problémy

    Podstatu napájecího zdroje VÚES Brno představuje asynchronní kroužkový generátor, který má zdánlivý výkon S = 430 kV·A, napětí U = 400 V, proud I = 670 A a otáčky v rozsahu n = 1 600 až 2 300 min–1. Je osazen devíti kartáči typu LFC 554 L‘ Carbone a je řešen jako horizontální monoblok skládající se z těchto základních částí:

    • hlavní generátor – asynchronní generátor s kroužkovým rotorem,

    • pomocný generátor – bezkartáčový synchronní generátor používaný pro napájení elektronických obvodů systému nepřetržité dodávky (generátor je řešen jako dvoustupňová kaskáda se střídavým budičem, který napájí přes rotující usměrňovač buzení synchronního generátoru – obr. 6),

    • snímač otáček – používá se k řízení celého systému nepřetržité dodávky, včetně řídicí elektroniky (je použit snímač otáček od firmy Thalheim typ ITD 41A4Y1002048H NIS2BQ12S25IP65 zapojený do pomocné svorkovnice).

    Princip asynchronního generátoru
    Z indukčního (asynchronního) motoru se stane indukční (asynchronní) generátor, zvýší-li se poháněcím motorem jeho otáčky nad synchronní (viz kruhový diagram na obr. 7).

    Skluz je záporný a odečítá se na stupnici skluzu prodloužené vlevo od tečny v bodě A0. Dělení je stejné jako v motorické části. Z obr. 7 je zřejmé, že určitým nadsynchronním otáčkám odpovídá jediný bod na geometrickém místě proudů (kruhu) generátoru. Jeho polohou je určena velikost zatěžovacího proudu i jeho fázový posun. Generátor dodává do sítě činný výkon P2 = I1 cos φ1, který je dán úsečkou mezi geometrickým místem proudů (kruhem) a vodorovnou osou tvořící přímku výkonu generátoru. Poháněcí stroj musí dodat příkon P1 odpovídající spojnici bodů A0AK, tvořící pro generátor přímku příkonu. Mezi přímkou výkonu a příkonu jsou definovány ztráty ΔPZ.

    Indukční generátor nemůže vyrábět magnetizační proud, proto musí vždy pracovat paralelně se zdrojem magnetizačního proudu – synchronním generátorem, kondenzátorem nebo komutátorovým strojem na střídavý proud.

    V kruhovém diagramu platí část kruhu A0 až AK pro motor, AK až A pro brzdu a A až A0 pro generátor.

    V našem případě jsou pracovní otáčky odvozeny od otáček spalovacího motoru, které činí n = 1 800 min–1. Soustrojí je osazeno setrvačníkem z klasické oceli o délce 1 m a průměru 0,8 m. Kinetická energie soustrojí při otáčkách stroje nad touto hladinou představuje rezervu kinetické energie pro krytí využitelného výkonu při jejich poklesu na n = 1 800 min–1, kdy dochází ke spuštění dieselagregátu.

    Asynchronní generátory jsou známy především z malých vodních elektráren a větrných elektráren. Jejich využití v UPS bylo podmíněno tím, že právě pro větrné elektrárny byla vyvinuta, zhotovena a vyzkoušena napájecí a řídicí část, které bylo možné po jistých úpravách v podstatě ihned použít.

    Asynchronní kroužkový generátor je v principu asynchronní rotační měnič frekvence, jehož rotorové vinutí je napájeno ze statického měniče frekvence. Velikost napětí a frekvence napájení rotoru se řídí parametry statorového vinutí tak, aby hodnota frekvence a napětí indukovaného ve statorovém vinutí byla konstantní a shodovala se s napětím a frekvencí sítě (např. f1 = 50 Hz = konst.).

    Asynchronní kroužkový generátor je určen nejen jako záložní zdroj energie, ale případně je jako generátor schopen pracovat s proměnnými vstupními otáčkami.

    V průběhu jeho používání v praxi (v tomto případě jako záložní zdroj pro zajištění leteckého provozu) se projevily problémy s kluzným kontaktem na kroužcích. Problém zásadně omezoval splnění garančních podmínek a vedl k nemalým ekonomickým ztrátám i při zajišťování servisu. Na základě konzultací pracovníků VÚES Brno se zástupci firem vyrábějících kartáče byla na zkušebně VÚES hledána optimální materiálová skladba kluzného kontaktu tak, že se měnil materiál kroužků (železo, mosaz apod.) a materiál kartáčů. Výsledky tohoto snažení však nebyly uspokojivé. Proto VÚES Brno přistoupil k použití částečně inovovaného kluzného kontaktu v provedení D (držák kartáče) a kartáče v provedení sT (s teflonovou destičkou na náběhové hraně [16]).

    Hlavním kritériem pro práci kluzného kontaktu je bezporuchovost (nesmí jiskřit, nesmí docházet k degradaci vnějšího povrchu kroužků, musí pracovat při malém proudovém zatížení, a tím i nízkých teplotách kontaktu, musí zajišťovat malé opotřebení kartáčů atd.).

    Tyto podmínky zajistila dílčí inovace třecího uzlu, kterou představovalo použití kartáčů v provedení sT. Vývoj kartáčů nové generace byl založen na použití teflonu, přičemž se vycházelo z upevnění teflonové destičky na náběhovou (popř. i odběhovou) stěnu kartáče. Konkrétní řešení je zřejmé z obr. 8. Kroužky jsou zhotoveny z výkovku korozivzdorné oceli č. 17021.6. Jejich průměr je 315 mm a šířka 36 mm. Přítlačná síla na kartáče je 1 600 cN a tlak činí 200 cN·cm2, tj. 20 kPa.

    Geometrie třecí plochy je dána tím, že kartáče nejsou ve stroji nainstalovány radiálně, ale jsou vytočeny od kolmice asi o 3° proti směru otáčení. Jde tedy o tzv. reakční kartáče. Délkový rozdíl mezi náběhovou a odběhovou hranou činí asi 3 mm. Takové konstrukční řešení třecího uzlu zajišťuje lepší rozdělení proudu mezi kartáči téže fáze.

    Pro uvedené použití jsou zpravidla doporučovány kartáče impregnované, které se ale při ověřovacích zkouškách neosvědčily – jiskřily. V tomto případě rovněž nevyhověly kartáče pro nízké obvodové rychlosti, ale naopak kartáče LFC554 pro velké obvodové rychlosti, konkrétně pro rychlost v = 90 m·s–1. Neosvědčilo se ani umístění armatury na boční části kartáče. Proto byly použity kartáče s dracounkovým přívodem v horní části kartáče.

    5. Záložní zdroj VÚES Brno

    Asynchronní kroužkový generátor je určen pro provoz v průmyslových halách, popř. v uzavřeném strojním prostoru s teplotou okolí 0 až 45 °C. Konstrukční řešení stroje je na obr. 9 a parametry jsou uvedeny v tabulce technických údajů.

    Tabulka technických údajů

    Parametr

    Hodnota

    hmotnost

    2 800 kg

    jmenovitý výkon

    430 kV·A

    druh zatížení

    S1

    elektrická přetížitelnost

    150 % jmeno vitého zatížení po dobu 2 min

    proud

    621 A

    počet pólů

    4

    maximální provozní otáčky

    2 300 min–1

    teplota okolí

    0 až 40 °C

    třída izolace

    H

    využití tøídy izolace

    F

    účiník cos φ

    0,8

    napětí

    400 V

    frekvence

    50 Hz

    minimální provozní otáčky

    1 700 min–1

    nadmořská výška instalace

    1 000 m

    maximální napětí rotoru

    při 2 300 min–1

    nastavitelný rozsah napětí

    ±5 %

    přesnost napětí

    ±1 %

    Ve vinutí hlavního generátoru jsou vloženy odporové teploměry (vždy tři v jednom čele), které umožňují monitorovat teplotu vinutí. Vývody teploměrů jsou přivedeny do pomocné svorkovnice na svorky A1 až A6.

    UPS představuje jistotu zásobování elektrickou energií. Je to kompaktní systém (obr. 10), který používá vznětový motor jen v případě dlouhodobých výpadků. Krátké poruchy v síti neškodí životnímu prostředí a lze je krýt ze zásob naakumulované kinetické energie. Vznětový motor je spouštěn a využíván při delších poruchách sítě, a zaručuje tak dlouhodobé zásobování energií. UPS se vyznačuje malými časovými konstantami, malou zastavěnou plochou a minimálními provozními náklady.

    Je známo, že 98 % všech poruch ve veřejné rozvodné síti netrvá déle než 1 s. Zbývající část tvoří delší poruchy. Teprve po 2 s je spuštěn vznětový motor pro zajištění dlouhodobé dodávky elektrické energie – spouští se tedy pouze v případě nutnosti (obr. 11). Dosahuje se tím časově neohraničeného napájení sítě zabezpečené jednotkou UPS. Konvenční dieselgenerátory se setrvačníkem jsou spouštěny po 100 ms.

    Mezi vlastnosti UPS s asynchronním kroužkovým generátorem patří:

    • zásobování on-line sítě přidruženého spotřebitele,
    • nepřerušené zásobování energií pro zajištění dodávky elektrické energie,
    • kinetický zásobník energie po dobu 5 s,
    • kvalitní filtr pro 100% nelineární zatížení,
    • velmi dobrá účinnost při nízkých provozních nákladech,
    • velmi šetrný a životnímu prostředí neškodící provoz (dieselmotor může být použit u všech výrobců),
    • překlenutí krátkodobých výpadků sítě bez výkonové baterie akumulátorů,
    • více než 30leté zkušenosti s výrobou UPS.

    6. Inovace kluzného kontaktu – dosažené výsledky

    Inovace kartáčů asynchronního kroužkového generátoru (obr. 12) významně ovlivnila práci celého sběracího ústrojí a přispěla především ke:

    • snížení opotřebení kartáčů (obr. 13),
    • zkvalitnění vnějšího, aktivního povrchu kroužků (obr. 14),
    • odstranění vzniku stínů na povrchu kroužků,
    • zlepšení provozních vlastností a spolehlivosti UPS,
    • snížení ztrát třením a naprázdno.

    7. Závěr

    Použití inovovaného kluzného kontaktu s upravenými kartáči v provedení sT umožnilo výrazné zlepšení práce kluzného kontaktu a zajištění garantované životnosti a bezporuchovosti asynchronního kroužkového generátoru. Byla tím zároveň prokázána a opakovaně potvrzena univerzálnost tohoto technického řešení nejen pro klasické typy strojů, ale i pro speciální stroje, pro různé druhy provozu, pro různé materiály kroužků, pro různou obvodovou rychlost apod. Získané pozitivní zkušenosti přispěly k aplikaci tohoto inovovaného třecího uzlu i na ostatní záložní stroje v dané lokalitě.

    Poděkování
    Tento příspěvek vznikl za částečné podpory České grantové agentury s využitím grantu MSM 0021630516.

    Literatura:
    [1] HÚSEK, D.: Architektura UPS – normalizace a praxe. Elektro, 10/2000.
    [2] GRINAC, B.: Jednokonverzní zapojení zdroje nepřerušovaného napájení. Princip funkce, porovnání základních parametrů s ostatními konstrukcemi. Elektro, 10/1997.
    [3] KUBIE, I.: Zdroje nepřerušitelného napájení. Elektro, 10/997.
    [4] MIŠKOVSKÝ, J.: UPS typové řady MT – Compact firmy Benning s modulární koncepcí. Elektro, 10/2000.
    [5] VÁCHA, J.: Nová generace zdrojů nepřetržitého napájení UPS. Elektro, 10/2000.
    [6] KUČERA, J.: Zvyšování spolehlivosti záložních zdrojů. Elektro, 10/1997.
    [7] ČERNÝ, V.: Účinnost elektrických zdrojů. Elektro, 1/1999.
    [8] ZIKA, J.: Průmyslové nikl-kadmiové akumulátorové baterie Hoppecke.
    [9] DOLEŽEL, I.: Palivové články – princip, konstrukce, vlastnosti a použití. Elektro, 10/1999.
    [10] CETL, T.: Napájecí zdroje pro elektrochemické výrobní procesy. Elektro, 10/2004. [11] BEZDĚK, M.: Zkoušení elektrických zdrojových soustrojí podle ČSN ISO 8528. Elektro, 2/1996. [12] KOLÁŘ, S.: Reference o použití inovovaného třecího uzlu s kartáči sT na strojích Concycle VÚES Brno, a. s. Brno, 5. 12. 2006. [13] KOLÁŘ, S.: Poskytnuté podkladové materiály. [14] http://www.altron.cz [15] VESELKA , F., VALOUCH , V.: Teorie a stavba elektrických strojů. Svazek II, Asynchronní stroje, učební text. Brno, 2006. [16] Veselka , F.: Zlepšování komutačních poměrů elektrických strojů. TZ 135 KESAP FE VUT v Brně. Brno, 1990.

    Doc. Ing. František Veselka, CSc., absolvoval Vysoké učení technické v Brně v roce 1978. Titul kandidát věd získal v roce 1984 a titul docent roku 1991. Na FEKT je od roku 1978. V průběhu svého působení v ústavu elektrických strojů a přístrojů se věnoval problematice aplikace permanentních magnetů v elektrických strojích a zařízeních, výpočtům systémů s permanentními magnety a speciálním elektrickým strojům. V současné době se zaměřuje na zlepšování provozních vlastností elektrických strojů s kluzným kontaktem, na měření velmi malých vzdáleností, studium a modelování dynamických jevů u elektromechanických soustav, problematiku inovací s využitím TRIZ. Průběžně spolupracuje s průmyslovou praxí.

    Obr. 1. Schéma principu činnosti UPS off-line [13]
    Obr. 2. Schéma principu činnosti UPS on-line [13]
    Obr. 3. Schéma principu činnosti UPS line interaktiv [13]
    Obr. 4. Blokové schéma UPS s jednou konverzí [3]
    Obr. 5. Principiální schéma zapojení on-line s dvojitou konverzí [3]
    Obr. 6. Celková sestava záložního napájení, prezentovaná na štítku jako synchronní generátor U = 400 V, I = 670 A, S = 430 kV·A, n = 1 600 až 2 300 min–1
    Obr. 7. Kruhový diagram indukčního stroje [15]
    Obr. 8. Možné konstrukční řešení kartáče v provedení sT; 1 – dracounek, 2 – vlastní těleso kartáče, 3 – teflonová destička, 4 – spoj kartáče s teflonem
    Obr. 9. Konstrukční řešení záložního zdroje VÚES Brno
    Obr. 10. UPS – jistota dodávky elektřiny; a – teritorium provozování UPS, b – funkční princip přídavného asynchronního generátoru kombinovaného s nejmodernějším měničem a dieselovým motorem
    Obr. 11. Grafické znázornění; a – pracovní rozsah zdroje (2 300 až 1 800 min–1 při poklesu a náběhu otáček stroje se setrvačníkem), b – průběhy proudů ve vinutí statoru, rotoru a momentu ve vzduchové mezeře při přechodových stavech stroje z matematického modelu poruchových stavů generátoru při paralelní spolupráci se sítí s ohledem na dynamické síly
    Obr. 12. Použití inovovaných kartáčů v provedení sT
    Obr. 13. Vizuální porovnání velikosti opotřebení inovovaných kartáčů osazených na kroužcích A a původních kartáčů na kroužcích B a C (1– inovovaný kartáč, 2– původní kartáč)
    Obr. 14. Fotodokumentace kvalitního povrchu na kroužcích Concycle po použití inovovaného třecího uzlu
    Obr.15. Znázornění průběhu proudu, teploty, kartáčů, kroužků a v kabině jednotlivých Concycle v závislosti na čase (xxx značí výměnu kartáčů na konci doby jejich technického života) a) asynchronní kroužkový generátor v. č. 230-25-99A, b) asynchronní kroužkový generátor v. č. 201-05-970, c) asynchronní kroužkový generátor v. č. 601-05-97g

    Celý příspěvek lze ve formátu PDF stáhnout zde