Eficienţa energetică – caracteristică principală a produselor dezvoltate de ICPE ACTEL S.A. (XLVIII)

Eficienta Energetica

de Ion Potarniche

Eficienţa energetică – caracteristică principală a produselor dezvoltate de ICPE ACTEL S.A. (XLVIII)

În numărul precedent am trecut în revistă soluțiile energetice practicate pe platformele românești de foraj marin, cronologic evidențiind atât aspectele tehnice ale acestora, dar și avantajele și dezavantajele fiecăreia din punct de vedere al randamentelor tehnice și al eficienței energetice totale. De asemenea în același articol s-au propus soluțiile viitoare pentru instalațiile de foraj marin și terestru atât din punct de vedere al echipamentelor de acționare electrică, cât și al performanțelor electromagnetice.

1. Introducere

De foarte multe ori în articolele anterioare am asociat performanțele produselor executate de ICPE ACTEL soluțiilor constructive privind subansamblele de forță ale acestora și echipamentelor de comandă și reglare. Este adevărat că cele două categorii de probleme reprezintă sursa efectelor principale privind eficiența energetică a acestor produse, dar nu trebuie neglijate și alte considerente pe care specialiștii noștri le au în vedere în proiectarea și execuția produselor proprii, considerente cu impact important asupra performanțelor electroenergetice ale produselor pe care ICPE ACTEL le dezvoltă. În numărul de față mă voi referi în mod deosebit la aspectele legate de alegerea și calculul protecțiilor avute în vedere în funcționarea și mentenanța echipamentelor ICPE ACTEL. În mod concret voi aborda protecția tiristoarelor folosite în cele mai multe din aplicațiile noastre, cu mențiunea că se poate avea în vedere și pentru alte tipuri de ventile de putere.

2. Alegerea și dimensionarea elementelor componente ale unui convertor c.a./c.c.

În cele ce urmează, voi folosi ca model un convertor c.a./c.c. cu tiristoare în punte trifazată, complet comandată, bază de plecare și pentru alte tipuri (monofazată, hexafazată etc), dar și pentru alte tipuri de semiconductoare (IGBT, MOLFET, GTO, TAO etc). Schema electrică de principiu pentru aspectele teoretice dezvoltate în continuare este prezentată în figura 1.

2.1. Alegerea și dimensionarea tiristoarelor

Alegerea tiristoarelor de tip T din convertorul U2 pornește de la dimensionarea lor teoretică, elementele de bază fiind:

• Valoarea medie a curentului care-l parcurge (ITAV)

• Valoarea tensiunii inverse repetitive maxime la care este supus tiristorul (URRM) Cunoscând valoarea medie a curentului de sarcină I, impusă, măsurată sau calculată cu formula 1 pentru cicluri complexe de funcționare:

se impune pentru tiristorul ales:

Relația 2 se corelează și cu aspectul termic al alegerii privind valoarea efectivă a curentului care-l parcurge:

Pentru calculul tensiunii URRM se folosește o formulă foarte utilizată de mulți autori:

unde:

• Coeficientul (2÷3) este un coeficient de siguranță care ține cont de caracterul sarcinii; cifrele mici pentru sarcină rezistivă, iar cele mari pentru sarcină inductivă

• Ua – valoarea efectivă a tensiunii de alimentare a convertorului U2

Din punct de vedere tehnic, fie pentru dimensionare, fie pentru verificarea ansamblului tiristor – radiator suport de răcire, se are în vedere și alegerea și dimensionarea radiatorului amintit. Ipoteza de la care se pornește este aceea oferită de constructorul de semiconductoare care impune temperature maximă acceptată pentru joncțiunea intrinsecă a dispozitivului semiconductor.

Acest calcul se poate face atât pentru regimul permanent de funcționare esențial pentru alegerea radiatorului, cât și pentru eventualele regimuri tranzitorii cu trimitere spre dimensionarea fluxului de aer în cazul răcirii preponderente prin convecție forțată. Relația de calcul pentru alegerea și dimensionarea radiatorului este următoarea:

unde:

θj – temperatura reală de calcul a joncțiunii θa – temperatura de lucru a mediului ambiant

PTAV – pierderile din dispozitivul semiconductor

Rth j-a – rezistența termică serie joncțiune – mediul ambiant θjmax – temperatura maximă a joncțiunii impusă de constructorul de semiconductoare

Pierderile sub formă de căldură din dispozitivul semiconductor se calculează cu formula:

• Valoarea tc este legată de tipul de răcire a capsule semiconductoare și anume, pe o față valoarea tc este cifra 1, iar pentru 2 fețe tc este 2

• UTO este căderea de tensiune în conducție directă pentru elementul semiconductor (măsurată sau dată în fișa de catalog a acestuia)

• rt este rezistența echivalentă a elementului semiconductor dată în fișa de catalog a acestuia.

Rezistența serie echivalentă Rth j-a este compusă din:

• rezistența Rth j-c, rezistența termică joncțiune capsulă, dată de catalog a elementului semiconductor

• rezistența Rth c-r , rezistența termică capsulă radiator, dată de catalog

• rezistența Rth r-a , rezistența termică radiator mediu ambiant, dată de catalog

Pentru îndeplinirea relației 6, implicit pentru alegerea radiatorului se are în vedere alegerea acestuia cu valorile Rth c-r și Rth r-a corespunzătoare.

2.2. Dimensionarea protecțiilor

Protecțiile aferente unui convertor static de putere sunt legate de elementele pe care acesta le subordonează: curentul și tensiunea. De aceea, în continuare voi aborda protecțiile pentru ambele componente amintite.

2.2.1. Protecția la supracurent

Deși sunt elemente foarte robuste tiristoarele se pot distruge la amplitudini mari de curent pentru durate mici de timp.

Pentru valori mai mari, dar apropiate de valoarea curentului dimensionat de funcționare, curent numit de specialiști „de suprasarcină” protecția se face prin alegerea unor întreruptoare sau relee termice cu caracteristică de declanșare predeterminată funcție de aplicație. Pentru impulsuri mari de curent cu durata foarte mică, numiți și curenți de scurtcircuit, se utilizează în serie cu dispozitivul semiconductor, siguranțele fuzibile ultrarapide, a căror alegere se bazează pe două criterii:

• curentul nominal al siguranțelor fuzibile,

• tensiunea de utilizare a siguranței fuzibile

Deoarece în practica industrială există o varietate foarte mare de tipuri constructive (gabarite) de siguranțe fuzibile, după alegerea acestora, folosind relațiile 9 și 10, se verifică capabilitatea lor de a fi utile în protecția tiristoarelor din datele de catalog oferite de constructor, și anume:

• integrala joule a siguranței trebuie să fie mai mică decât a tiristorului

• curentul limitat de siguranță trebuie să fie mai mic decât valoarea nerepetitivă a curentului de sarcină

• tensiunea de arc la întreruperea siguranței trebuie să fie mai mică decât valoarea URRM a tiristorului

2.2.2. Protecția la supratensiuni

Apariția unor supratensiuni, din varii motive poate conduce la distrugerea elementelor semiconductoare, motiv pentru care acestea trebuiesc eliminate atât ca amplitudine, cât și ca viteză de creștere la apariție. Sunt cunoscute multe variante constructive de protecție (elemente RC individuale pe tiristor, variatoare, diode cu avalanșă controlată etc), dar în prezenta lucrare voi face referire la protecția colectivă a unui convertor trifazat a cărei schemă electrică este prezentată în figura 2.

• FIGURA 2. Protecția la supratensiuni a unui convertor c.a./c.c. 

  •  u2 – convertor c.a./c.c., cu diode
  •  R1, C, R2 – elemente R, C

Dimensionarea punții cu diode se face în principal după modelul u1, sarcina fiind de data aceasta elementele R1, C, R2

Valorile elementelor de sarcină se calculează cu următoarele formule:

Unde:

I0 – este curentul de mers în gol al transformatorului de alimentare cu tensiunea secundară

Ua SN – este puterea nominală a transformatorului de alimentare

f – frecvența tensiunii de alimentare

Ua URRM – tensiunea maximă repetitivă a tiristoarelor din convertorul U1

Tensiunea nominală pentru c1 trebuie să fie egală sau mai mare decât URRM

cu următoarele semnificații pentru:

L0 – inductanța de scăpări a trafo de alimentare

valoarea Usc fiind tensiunea de scurtcircuit a transformatorului de alimentare.

Puterea rezistenței R1 este:

valoarea rezistenței R2 este:

Iar puterea rezistenței R2 este:

2.2.3. Calculul inductanței de rețea

În foarte multe din aplicațiile industriale în care este nevoie de un număr de convertoare funcționând în paralel pe aceeași sursă de alimentare, din cauze care țin de funcționarea acestora, este necesar și recomandat ca în serie cu aceste convertoare să fie folosite inductanțe de c.a. Dacă tensiunea de utilizare este strâns legată de tensiunea de alimentare, valoarea inductivității și a curentului se stabilesc cu următoarele relații:

• I este valoarea curentului de sarcină nominal al convertorului c.a./c.c.

• ΔU reprezintă căderea de tensiune impusă (dorită) pe inductanță, care de obicei se recomandă în procente din tensiunea Ua

2.2.4. Calculul inductanței de netezire

Rolul inductanței L în circuitul sarcinii este multiplu și este legat de efectul de „filtrare” al curentului absorbit de acesta, mai ales la unghiuri mici de „aprindere” a tiristorului din convertorul c.a./c.c.

Deci efectul inductanței L este:

• Îmbunătățirea regimului de curent întrerupt al convertorului c.a./c.c.

• Diminuarea armonicilor curentului de sarcină.

Există o restricție față de cele două efecte prin aceea a existenței pericolului de saturare a inductanței L, motiv pentru care trebuie luată în considerație în dimensionarea acesteia și această valoare.

Valoarea L este dată de relația:

Cu următoarele semnificații ale mărimilor din formulă:

• ki, km coeficienți care țin de construcția convertorului c.a./c.c., mărimea sarcinii și raportul dintre curentul nominal și de mers în gol al acesteia.

Este de menționat că aceste valori ki, km au valori diferite pentru cele două efecte avute în redare în dimensionarea inductanței de „netezire”. Alegerea valorii L se face după criteriul maxim dintre cele două valori calculate. Valoarea curentului de saturare se face cu relația:

Coeficientul ksat este precizat în literatura de specialitate, el depinzând de tipul constructiv al circuitului magnetic al inductanței de „netezire”.

4. Concluzii

În lucrare s-au prezentat aspectele legate de alegerea și dimensionarea protecțiilor utilizate în construcția convertoarelor statice de putere. Fiabilitatea sistemelor de acționare folosind aceste convertoare, costurile de mentenanță și durata de viață a acestora sunt tot atâtea criterii pentru evaluarea eficienței energetice a acestor sisteme. Din aceste motive, specialiștii implicați în realizarea de aplicații cu convertoare statice au în vedere în proiectarea și realizarea protecțiilor atât probleme tehnice legate de alegerea și dimensionarea lor, dar și cele economice pentru dimensionarea costurilor datorate integrării protecțiilor în sistemele de acționare complexe.


Accept cookie

www.ttonline.ro utilizează fişiere de tip cookie pentru a personaliza și îmbunătăți experiența ta pe Website-ul nostru.

Te informăm că ne-am actualizat politicile pentru a integra în acestea și în activitatea curentă a www.ttonline.ro cele mai recente modificări propuse de Regulamentul (UE) 2016/679 privind protecția persoanelor fizice în ceea ce privește prelucrarea datelor cu caracter personal și privind libera
circulație a acestor date. Înainte de a continua navigarea pe Website-ul nostru, te rugăm să aloci timpul necesar pentru a citi și înțelege conținutul Politicii de Cookie.

Prin continuarea navigării pe Website-ul nostru confirmi acceptarea utilizării fişierelor de tip cookie conform Politicii de Cookie. Îți mulțumim pentru acest accept și nu uita totuși că poți modifica în orice moment setările acestor fişiere cookie urmând instrucțiunile din Politica de Cookie.

Da, sunt de acord