Savolainen. Pienvoimalaitoksen käyttötekniikka

Transkriptio

1 Tekijä: Markku Savolainen Pienvoimalaitoksen käyttötekniikka

2 Sisältö Erilaiset generaattorityypit Sähköntuotannossa käytetyt generaattorityypit Verkkomagnetoitu epätahtigeneraattori Kondensaattorimagnetoitu epätahtigeneraattori Vierasmagnetoitu tahtigeneraattori Kestomagneetti tahtigeneraattori Taajuusmuuttaja Taajuusmuuttajan perusrakenne ja toiminta Taajuusmuuttaja generaattorikäytössä Voimalaitoksen säädöt Jännite Taajuus 2

3 Generaattorit

4 Generaattorityypit Sähköntuotannossa käytetyt generaattorit Epätahtigeneraattori Verkkomagnetoituva epätahtigeneraattori Kondensaattori magnetoituva epätahtigeneraattori (Itsemagnetoituva) Tahtigeneraattori Vierasmagnetoitu tahtigeneraattori Kestomagneetti tahtigeneraattori 4

5 Magnetointi Magnetointi tarkoittaa generaattorin roottoriin synnytettävää magneettikenttää Magneettikenttä synnytetään roottorikäämiin syötetyn tasavirran avulla tai staattorikentän aiheuttamana Magnetoinnin ja sen synnyttämän magneettikentän tarkoituksena on indusoida jännite staattori käämeihin Magnetoinnin avulla säädetään myös jännitettä 5

6 EPÄTAHTIGENERAATTORI Epätahtigeneraattori pyörii epätahdissa pyörivän magneettikentän kanssa Pyörimisnopeus on kentännopeutta suurempi Toimii generaattorina Epätahtigeneraattorit voidaan jakaa magnetoinnin perusteella kahteen pääryhmään Verkkomagnetoituvat Kondensaattorimagnetoituvat (Itsemagnetoituva) 6

7 Verkkomagnetoituva epätahtigeneraattori Verkkomagnetoituva epätahtigeneraattori ottaa magnetointivirran sähköverkosta Pystyy syöttämään sähköä vain jännitteelliseen verkkoon Ei toimi saarekekäytössä 7

8 Kondensaattorimagnetoitu epätahtigeneraattori Kondensaattorimagnetoitu epätahtigeneraattori ottaa tarvitsemansa magnetoimisvirran generaattorin napoihin kytketyistä magnetoimiskondensaattoreista Voidaan syöttää sähköä jännitteettömään verkkoon Toimii saarekekäytössä 8

9 Tahtigeneraattori Tahtigeneraattori pyörii samassa tahdissa koneen sisäisen magneettikentän ja syöttävän verkon kanssa CHP- laitoksissa käytetään umpinapatahtigeneraattoria Pyörimisnopeudet rpm Erilaiset umpinapatahtigeneraattori tyypit Vierasmagnetoitu tahtigeneraattori Kestomagneettitahtigeneraattori 9

10 Vierasmagnetoitu tahtigeneraattori Roottorissa on magnetointikäämitys Jaetaan harjallisiin ja harjattomiin Tarvitsee tasavirtaa magnetointiin Tasavirta syötetään ulkopuolisella magnetointilaitteella Harjallinen tai roottorin akselille rakennetusta vaihtovirtageneraattorista tasasuuntaamalla Harjaton Käytetään aina magnetoinnin säätölaitetta Jännitteensäädin Pitää generaattorin jännitteen asetusarvossaan 10

11 Vierasmagnetoidun generaattorin magnetointijärjestelmä Magnetointilaitteisto Muuttaa vaihtosähkön tasasähköksi ja magnetoi roottorin Pyörivä herätinkone Staattinen magnetointi Harjaton magnetointi Säädin Ohjaa magnetointilaitteistoa Käsinohjauslaitteisto 11

12 Kestomagneettigeneraattori Roottorissa on kestomagneetit Roottorissa on pysyvä magnetointi, jota ei voi säätää Magnetointitilaa säädetään staattorijännitteen suuruutta muuttamalla 12

13 TAAJUUSMUUTTAJA

14 Periaate Toiminta perustuu tehoelektroniikan puolijohdekomponenttien kytkentätilan ohjaukseen Ohjausyksiköllä ohjataan komponenttien johto- ja estotilaa Komponentit ovat sähköventtiilejä, joita avataan ja suljetaan nopeasti 14

15 TAAJUUSMUUTTAJAN KÄYTTÖKOHTEITA Moottorikäytöt Generaattorikäytöt 15

16 TAAJUUSMUUTTAJA MOOTTORIKÄYTÖSSÄ Moottorikäytössä säädetään moottorin kierroslukua ja vääntömomenttia Nopeutta muutetaan taajuutta vaihtamalla Matalilla kierrosnopeuksilla pystytään saavuttamaan maksimivääntömomentti Etuna moottorikäytöissä tulee Sähköenergian säästäminen Ei tarvita erillisiä laitteistoja moottorin ohjaukselle, kuten suunnanvaihto jne. Ei tarvita välttämättä kalliita vaihteistoja Saadaan moottori pyörimään prosessin vaatimalla nopeudella Vähentää mekaanisia rasituksia 16

17 TAAJUUSMUUTTAJA GENERAATTORIKÄYTÖSSÄ Generaattorikäytössä pidetään lähtöjännitteen taajuus vakiona Etuna generaattorikäytössä tulee Ei tarvita erillisiä tahdituslaitteita Sallii generaattorin epätasaisen nopeuden Pitää lähtöjännitteen ja taajuuden tasaisena 17

18 TAAJUUSMUUTTAJIEN PÄÄTYYPIT Suorat muuttajat Välipiirilliset muuttajat (yleisin)

19 SUORAT MUUTTAJAT Suorissa muuttajissa syötettävä vaihtosähkö muutetaan suoraan uudeksi vaihtojännitteeksi ilman tasasuuntausta. Voidaan jakaa kahteen pääryhmään Syklokonvertteri Matriisimuuttaja 20

20 VÄLIPIIRILLISET TAAJUUSMUUTTAJAT

21 VÄLIPIIRILLISET MUUTTAJAT Välipiirillisissä taajuusmuuttajissa syöttöjännite ensin tasasuunnataan tasajännitteeksi. Voidaan jakaa kahteen pääryhmään Virtavälipiiri muuttaja Jännitevälipiiri muuttaja (yleisin) 24

22 VÄLIPIIRILLISEN MUUTTAJAN RAKENNE Välipiirillinen taajuusmuuttaja koostuu neljästä pääosasta Tasasuuntaaja Välipiiri Vaihtosuuntaaja Ohjausyksikkö 25

23 TASASUUNTAAJA

24 TASASUUNTAAJA Tasasuuntaajan tehtävä on muuttaa syöttöverkon vaihtojännite tasajännitteeksi Tasasuuntaaja koostuu joko diodeista, tyristoreista, transistoreista ja näiden yhdistelmistä Tasasuuntaajia on kahta eri päätyyppiä Ohjattu (tyristori, tehotransistori) Ohjaamaton (diodi) jatkuu 27

25 Taajuusmuuttajassa käytetty tasasuuntaaja on yleisesti kuusipulssitasasuuntaaja Diodeilla rakennettua siltaa kutsutaan ohjaamattomaksi tasasuuntaajaksi Diodeilla ja tyristoreilla rakennettu silta on puoliksi ohjattu tasasuuntaaja Tyristoreilla rakennettua siltaa kutsutaan täysin ohjatuksi tasasuuntaaja jatkuu 28

26 Tasasuuntaaja Tasasuuntauksen periaate (diodi) Puoliaaltotasasuuntaaja Kokoaaltotasasuuntaaja jatkuu 29

27 Tasasuuntaaja Ohjatun tasasuuntauksen periaate Kokoaaltotasasuuntaus (tyristori) jatkuu 30

28 Tasasuuntaaja Kolmivaiheisesta kuusipulssisillasta saatava tasajännite Tasasuuntaaja voi olla myös 12-pulssinen 31

29 VÄLIPIIRI

30 VÄLIPIIRI Välipiirin tehtävänä on toimia energiavarastona Varastona toimii, joko kondensaattori tai kela Välipiirissä on tasoituskuristin ennen kondensaattoria tai kelaa Tehtävänä on suodattaa tasajännitettä Ohjauselektroniikan teholähde 33

31 VIRTAVÄLIPIIRI

32 VIRTAVÄLIPIIRILLINEN TAAJUUSMUUTTAJA Taajuusmuuttaja toimii virtalähteenä Syöttää moottoriin virtaa, jolla saadaan moottorin napoihin haluttu jännite Välipiiri muodostuu tasoituskuristimesta 35

33 JÄNNITEVÄLIPIIRI

34 JÄNNITEVÄLIPIIRILLINEN TAAJUUSMUUTTAJA Yleisemmin käytetty taajuusmuuttaja Jännitevälipiirissä on kondensaattoreita sisältävä suodin 37

35 VAIHTOSUUNTAAJA

36 VAIHTOSUUNTAAJA Muuttaa välipiirin tasasähkön vaihtosähköksi Muodostetun vaihtosähkön taajuutta ja amplitudia voidaan säätää Jännitettä on yleensä muutettava taajuuden mukaisesti Vaihtosuuntaajan ohjausmenetelmiä Skalaariohjaus ja säätö Vektorisäätö DTC eli suoravääntömomenttisäätö 39

37 VAIHTOSUUNTAAJA Vaihtosuuntaaja pilkkoo tasajännitteestä eri mittaisia pätkiä suurella nopeudella Vaihtosuuntaajasta saatavan jännitteen muoto on keskimäärin sama kuin siniaallolla PWM- tekniikalla muodostettu vaihtojännite 40

38 Vaihtosuuntaajan ohjaustavat

39 SKALAARIOHJAUS JA SÄÄTÖ Skalaariohjaus Skalaariohjauksessa pidetään jännitteen ja taajuuden suhde vakiona Mitataan kahta vaihevirtaa Ohjaukseen käytetään pulssileveysmodulaatiota Skalaariohjausta käytetään yksinkertaisissa oikosulkumoottorikäytöissä Skalaarisäätö Lisätään skalaariohjauksen rinnalle Mitataan sähkökoneen nopeutta Koneen pyörimisnopeutta tai vääntömomenttia voidaan säätää Vaativammat oikosulkumoottorikäytöt Skalaariohjausta ja säätöä ei käytetä hajautetun tuotannon sovelluksissa 42

40 43

41 VEKTORISÄÄTÖ Sähkökoneen käämivuota ja vääntömomenttia säädetään erikseen Tarvitaan moottorin staattorivirta ja roottorin pyörimisnopeus Vektorisäätö käyttää taajuusmuuttajan sisäistä moottorimallia 44

42 45

43 DTC Suora vääntömomenttisäätö Asetetaan moottorin tehtäväksi kehittää haluttu pyörimisnopeus ja vääntömomentti mahdollisimman nopeasti Optimoitu moottorin vääntömomentin ja magneettivuon säätö Ne määritetään mukautuvan sisäisen moottorimallin avulla 46

44 47

45 OHJAUSYKSIKKÖ

46 OHJAUSPIIRI Ohjauspiirin tehtävänä on olla yhteydessä taajuusmuuttajaan kytkettyihin laitteisiin Ohjausyksikkö lähettää ja vastaanottaa viestejä Ohjauspiiri yhdistää tasasuuntaajan, välipiirin ja vaihtosuuntaajan Ohjaa eri osien komponentteja Ohjaus tapa riippuu muuttajan rakenteesta 49

47 Taajuusmuuttaja generaattorikäytössä

48 Taajuusmuuttaja generaattorikäytössä Generaattorikäytössä taajuusmuuttajan tarkoitus on siirtää generaattorissa tuotettu energia verkkoon päin Taajuusmuuttajan avulla liitetty generaattori voi toimia eri taajuudella kuin verkko Tämä mahdollistaa generaattorin kytkemisen verkkoon jo pienellä ja muuttuvalla kierrosnopeudella Yleisimmin käytetty taajuusmuuttaja on jännitevälipiirillinen Sen etuja ovat: Tehon siirto molempiin suuntiin Loistehon säätö Yliaaltojen kompensointi 51

49 Jännitevälipiirillinen taajuusmuuttaja Pääpiirin osat Generaattorisuuntaaja Jännitevälipiiri Verkkovaihtosuuntaaja Verkkosuodatin Ohjauselektroniikka 52

50 VERKKOON LIITTYMINEN TAAJUUSMUUTTAJALLA Taajuusmuuttajan ohjauselektroniikka hoitaa tahdistuksen automaattisesti Ennen kuin taajuusmuuttaja voi tahdistua verkkoon, välipiirissä on oltava jännite Välipiirin lataukseenkäytetään ulkoista latauspiiriä Syötön voi valita tahtigeneraattorin tai verkon puolelta 53

51 VOIMALAITOKSEN SÄÄDÖT

52 VOIMALAITOKSEN SÄÄDÖT Jotta verkossa pysyy tuotetun ja kulutetun loistehon tasapaino, on säädettävä Verkon jännitettä Jotta verkossa pysyy tuotetun ja kulutetun pätötehon tasapaino, on säädettävä Verkon taajuutta 55

53 Jännitteen ja loistehon säätö Jännitettä säädetään Säätämällä tahtigeneraattorin magnetoimisvirtaa Käyttämällä kompensointilaitteistoja Taajuusmuuttajilla voidaan säätää loistehoa 56

54 Taajuuden ja pätötehon säätö Kun taajuus pysyy vakiona, on tuotetun ja kulutetun pätötehon suhde vakio Saarekkeessa käyvän generaattorin taajuuden säätö tapahtuu kierrosnopeutta muuttamalla Kuormitus laskee taajuutta, joten on kasvatettava voimakoneen tehoa 57

55 Lähteet Aura, Tonteri, 1996, Sähkökoneet ja tehoelektroniikan perusteet Konttinen, 2008, Vaihtosähkökoneen huolto ja koestus Lana, 2008, Pienitehoisen chp- laitoksen verkkoonliityntä Räty, 2010, Finlaysonin vesivoimalaitoksen generaattoriuusinnat Laiti, 2010, Taajuusmuuttajaan perustuva voimantuotannon liittäminen heikkoon sähköverkkoon Peltoniemi, 2005, Vektorimodulointimenetelmien ja verkkosuotimien vertailu jännitevälipiiriverkkovaihtosuuntaajassa Hirvonen, 2007, Taajuusmuuttajan vaihtaminen pakkaajarobottiin VTT Tutkimusraportti, 2009, Taajuusmuuttajien rakenne, mitoitus ja säätö generaattorikäytöissä 58