Návrh rotujícího usměrňovače pro synchronní bezkroužkové generátory výkonů v jednotkách MVA část 2 Ing. Jan Němec, Doc.Ing. Čestmír Ondrůšek, CSc.

Transkript

1 Návrh rotujícího usměrňovače pro synchronní bezkroužkové generátory výkonů v jednotkách MVA část 2 Ing. Jan Němec, Doc.Ing. Čestmír Ondrůšek, CSc. Vysoké učení technické v Brně, Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií, Ústav výkonové elektrotechniky a elektroniky, Technická 8, Brno, Česká republika xnemec31@stud.feec.vutbr.cz, ondrusek@feec.vutbr.cz Článek se zabývá analýzou rotujících usměrňovačů, používaných diodových modulů pro tyto aplikace a konstrukčním uspořádáním rotujícího usměrňovače pro synchronní bezkroužkové generátory výkonů jednotek MVA. Úvod Synchronní alternátory jsou ve většině případů rotující elektrické stroje vyrábějící elektrickou energii z mechanické energie dodané poháněcím strojem na hřídel. V poslední době se synchronní alternátory výkonů jednotek MVA vyrábějí v bezkroužkovém provedení. To přináší s sebou řadu výhod (odpadá veškerá starost o kluzné kontakty a jejich údržbu), ale také některá nutná opatření. Jedním z nevyhnutelných opatření je umístění usměrňovače budícího proudu přímo na hřídel hlavního stroje. Poté, co se začaly objevovat problémy s nakupovanými usměrňovacími bloky, bylo nutné zjistit příčinu závad na usměrňovačích a najít nový a spolehlivý způsob, jak tyto usměrňovače konstruovat. Výběr vhodných usměrňujících modulů Po podrobném průzkumu nabídky usměrňovačů na internetové síti a několika konzultacích s obchodníky různých firem distribuujících polovodičové prvky bylo nalezeno několik modulů, které by svou konstrukcí mohly mechanicky i elektricky vyhovovat. Nabídka usměrňovacích modulů vhodných pro konstrukci rotujících usměrňovačů se stáhla na tři dodavatele polovodičových součástek. Prvním z dodavatelů je firma Infineon (bývalý EUPEC), která nabízí jednofázové dvou-diodové usměrňovací bezpotenciálové moduly (viz obrázek 1). přítlačná lišta usměrňovací dioda Obrázek 1: Konstrukce modulu dodávaného firmou Infineon (výrobce EUPEC) Obrázek 2: Vnitřní konstrukce modulu dodávaného firmou Infineon (výrobce EUPEC) 8-1

2 Moduly jsou tvořeny plastovým pouzdrem ve kterém je zalitá základní deska (chladič) s diodami a přítlačnou konstrukcí. I když dodavatel těchto diod nepředurčuje použití těchto modulů do rotujících aplikací oficiálně (nezaručuje jejich odolnost), je podle jeho slov možné použít tyto moduly i do rotujích aplikací z důvodu zvýšené mechanické pevnosti. Konstrukce modulu je řešena tak, že usměrňovací diody (bezpotencíálově spojené s chladičem) jsou mechanicky zajištěny proti uvolnění přítlačnou konstrukcí, která pomocí dvou můstků přišroubovaných ke chladiči fixuje polohu diod a vývodů (viz. Obrázek 2). Dalším dodavatelem podobných modulů je firma ČKD Polovodiče. Tato firma nabízí taktéž jednofázové dvou-diodové bezpotenciálové moduly. Konstrukce těchto modulů je velmi podobná konstrukci výše uvedené. Zde ale dodavatel uvedl pouze to, že je v modulu jistá přítlačná konstrukce. Zda je tato konstrukce dostatečně tuhá, či zda je vhodné či možné tento modul použít pro rotující aplikace již nebyl schopen říci. Taktéž nebyl dodavatel schopen zaslat bližší informace o výrobku či fotografii řezu modulem-proto bylo použití tohoto modulu zamítnuto i když se jeho konstrukce zdá být vhodná. Obrázek 3: Jednofázový bezpotenciálový modul dodávaný firmou ČKD Polovodiče Třetí zdroj usměrňovacích modulů pro rotující aplikace je firma. Tato firma je přímo výrobcem polovodičových součástek a to nejen jednofázových bezpotenciálových modulů (popisovaných výše), ale také třífázových šestidiodových bezpotenciálových modulů (viz. obrázky 4 a 5). Obrázek 4: Třífázový bezpotenciálový modul Obrázek 5: Jednofázový bezpotenciálový modul 8-2

3 Tato konstrukce je velmi výhodná z důvodu jednodušší konstrukce a montáže celé sestavy rotujícího usměrňovače. Bohužel se tento modul dá použít jen pro aplikace s nižším výkonem. Průzkumem výrobců a dodavatelů polovodičových součástek bylo zjištěno, že je nejspíš jediná firma, která předurčuje ve svých katalogových listech použití těchto modulů do rotujících aplikací. Katalogové listy těchto jednofázových a třífázových modulů uvádějí, že tyto polovodičové moduly mají mechanickou pevnost takovou, že jsou schopny vydržet 3000ot/min při umístění na kružnici o průměru 400mm (viz. obrázky 6 a 7). Obrázek 6: Třífázový bezpotenciálový modul Obrázek 7: Třífázový bezpotenciálový modul Tento fakt upřednostnil použití těchto modulů pro rotující usměrňovače před ostatními. nabízí jednofázový i třífázový modul pouze v jedné výkonové (proudové) řadě a to 1800V/82A pro jednofázový modul a 1800V/88A pro třífázový modul. Tímto se dá teoreticky předpokládat, že s těmito moduly je možné sestrojit dva typy rotujících usměrňovačů a to: 1. Rotující usměrňovač osazený jedním třífázovým modulem s maximálním výstupním proudem 88A 2. Rotující usměrňovač osazený třemi jednofázovými usměrňovači. Proudová zatížitelnost této sestavy by tedy byla I = 3 I FAVM = 3 82A 142A. max Teoretickou maximální proudovou zatížitelnost ovšem nelze v praxi předpokládat z důvodu konstrukce krytí rotujícího usměrňovače. Vzhledem k tomu, že je celkem běžný požadavek na krytí celého synchronního stroje IP54 (55) nebo IP23, je nutné rotující usměrňovač chránit před účinky vody nebo vlhkosti. Z těchto důvodů je krytí řešeno ve většině případů hliníkovým žebrovaným odlitkem, který je stacionárně připevněn k ložisku (štítu) a vodotěsně chrání celý usměrňovač před vniknutím vlhkosti. Tím pádem je ovšem také zabráněno přístupu chladícího vzduchu k nosiči usměrňovače a celá sestava rotujícího usměrňovače je uzavřena v prostoru, kde nedochází k výměně chladícího vzduchu s okolím, ale pouze k chlazení rotujícího usměrňovače vzduchem uzavřeným pod hliníkovým krytem. Výměna tepla (chlazení) je tedy zajištěna pouze cestou nosič usměrňovače-vzduch-hliníkový kryt usměrňovače-chladící vzduch (pracovní prostředí synchronního stroje). Účinnost chlazení a zajištění přestupu tepla je dosti malé na to, aby bylo možné usměrňovač zatěžovat maximálním proudem udaným katalogovými údaji. Ty jsou uvedeny pro případ ideálního chlazení, které nelze v provozu zajistit právě vzhledem k výše uvedené konstrukci krytí a také vzhledem k tomu, že každý synchronní stroj pracuje v jiných podmínkách (okolní teplota, tlak apod.). Uvážením charakteristik výkonových ztrát v závislosti na teplotě (viz obrázky 8 a 9) a praktických zkušeností z provozu synchronních strojů lze přibližně určit maximální proudové zatížení výše uvedených rotujících usměrňovačů jako polovinu katalogových (vypočtených) údajů, tedy 1. přibližně I = 45A pro konstrukci s jedním třífázovým modulem max 2. přibližně Imax = 70A pro konstrukci se třemi jednofázovými moduly 8-3

4 Obrázek 8: Charakteristika výkonových ztrát v závislosti na teplotě pro třífázový modul Obrázek 9: Charakteristika výkonových ztrát v závislosti na teplotě pro jednofázový modul Konstrukce modulů je v porovnání s předchozími moduly podstatně lehčí, což razantně snižuje velikost odstředivé síly působící na moduly usměrňovače při otáčení. Na druhou stranu konstrukce můstků neobsahuje přítlačné lišty, které by mechanicky zajišťovaly diody (případně výstupní kontakty), jako tomu bylo u dříve popisovaných modulů. Jak již bylo vysvětleno v první části článku [1], největší mechanickou slabinou používaných můstků je špatné konstrukční zajištění usměrňovacích diod a vývodních kontaktů. Ty byly v pouzdře modulu pouze připájeny k základní desce (diodám) a zality pružnou silikonovou hmotou. Tato hmota není schopna mechanicky udržet tažnou sílu působící na kontakty při otáčení hřídele z důvodu její gelové konzistence. Navíckontakty ani matice kontaktů nejsou u problémových můstků nijak mechanicky zajištěny. Diody můstků jsou v pouzdře zality pevnou pryskyřicí, která se již osvědčila jako vhodné pojivo, které vydrží mechanické namáhání při otáčení. Navíc je mechanická pevnost výstupních kontaktů (a diod) pojištěna ještě zápustnou maticí, která je vložena do pouzdra z vnitřní (spodní) strany. Tím je zabráněno vzniku mechanického tahu na výstupní kontakty modulu a tedy mechanického a elektrického selhání celého můstku. Jedinou slabinou můstků je nedostatečné mechanické zajištění matice proti protlačení směrem dovnitř modulu při montáži kabelů. Tento nedostatek je v současné době konzultován s výrobcem. Návrhy konstrukcí rotujících usměrňovačů Použití modulů v jednofázovém nebo třífázovém provedení je schopno pokrýt výrobu rotujících usměrňovačů pro několik osových výšek bezkroužkových synchronních strojů. Byly 8-4

5 potřeba navrhnout tři různé sestavy rotujících usměrňovačů, protože se konstrukce krytí a jmenovitý proud usměrňovači liší v závislosti na osové výšce stroje a požadavcích zákazníka. Návrh rotujícího usměrňovače pro osové výšky 350 a 450mm Konstrukce krytí usměrňovačů u malých strojů (osové výšky 350mm, 450mm) je tvořena vylisovaným plechovým krytem se žaluziemi pro zabránění vniku vody stříkající pod úhlem 60 dle krytí stroje IP23. Velikost krytu nedovoluje použití rozměrných nosičů usměrňovače, které by svou plochou zvýšily účinnost chladícího efektu. Proto se běžně používají u těchto strojů nosiče vyrobené z ocelové čtvercové desky o rozměrech 5x100x100mm (viz obrázek 10). Jejich použití není sice z chladícího hlediska správné (špatná tepelná vodivost) ale vhledem k omezené pevnosti, která je závislá na maximálních dovolených rozměrech daných velikostí krytu usměrňovače je to prakticky jediné možné (a nejjednodušší) řešení. Rotorový stejnosměrný proud u strojů osových výšek 450mm není sice velký ale z důvodu použití malé nosné desky Obrázek 10: Pohled na opracovanou nosnou desku sestavy usměrňovače s malou tepelnou vodivostí je nutno použít pro konstrukci rotujícího usměrňovače tří jednofázových bezpotenciálových modulů. Nedostatečný odvod tepla od polovodičů by mohl způsobit to, že bude usměrňovač pracovat za ztížených podmínek. To by vedlo k podstatnému snížení proudové rezervy rotujícího usměrňovače, přehřátí pouzdra a čipu polovodiče a zničení modulů. Obrázek 11 a 12: Model sestavy třífázového usměrňovače s jednofázovými moduly pro synchronní stroje osových výšek 350 a 450mm Návrh rotujícího usměrňovače pro osové výšky 560mm Rotující usměrňovače u strojů osových výšek 560mm a vyšších jsou již umístěny pod odlitými kryty z hliníku (viz text na straně 3), které jsou rozměrově větší a proto lze jimi zakrytovat větší sestavy usměrňovače. Není sice úplně správné přiřadit jeden druh usměrňovače nějaké konkrétní osové výšce stroje, protože se výkony strojů a proudy tekoucí rotorem dosti liší u různých provedení spadajících do 8-5

6 jedné osové výšky. Obecně lze ale říci, že pro stroje osových výšek 560mm se bude ve většině případů používat konstrukce rotujícího usměrňovače s kruhovým odlitkem nosiče usměrňovače. Ten je vyroben ze slitiny hliníku a jiných kovů (viz obrázek 13). Obrázek 13: Model odlitku nosiče pro rotující usměrňovače strojů osových výšek 560mm Obrázek 14: Opracování odlitku nosiče pro rotující usměrňovače strojů osových výšek 560mm Velikost a opracování odlitku ovšem předurčuje použití nosiče pouze ve spojení s jedním třífázovým modulem. Jeho použití sice znamená nižší proudové zatížení celého usměrňovače, ale montáž sestavy je jednodušší a cena nižší. Z důvodu standardního vrtání hřídele je nutné sestavu montovat tak, že se nejdříve přišroubuje nosič usměrňovače na hřídel a až poté se k nosiči přišroubuje třífázový modul a provede se připojení vodičů. Upevňovací šrouby jsou totiž částečně umístěny pod chladičem usměrňovače (viz obrázek 17). Obrázek 15 a 16: Model sestavy třífázového usměrňovače s třífázovým modulem pro synchronní stroje osových 560mm 8-6

7 varistor modul usměrňovače upevňovací šroub usměrňovače Obrázek 17: Detail sestavy pohled na pozici šroubu Návrh rotujícího usměrňovače pro osové výšky 630mm U strojů osových výšek 630mm se používají ke krytí usměrňovačů stejné kryty jako u strojů osových výšek 560mm. Jelikož jsou ale u těchto strojů obecně větší proudy tekoucí rotorem (větší osová výška-větší výkon), je nutno použít jiného nosiče usměrňovače (jiného chladiče). Polotovar nosiče je hliníkový žebrovaný chladič, který je nutno opracovat tak, aby se svými rozměry vlezl pod kryt usměrňovače (viz obrázky 18 a 19) a aby bylo rozložení hmotnosti okolo jeho osy otáčení po zkompletování celé sestavy rotujícího usměrňovače co nejvíce symetrické. To je ztíženo navíc tím, že budou součástí sestavy tři jednofázové moduly, které z důvodu zjednodušení montáže a využití co největší aktivní chladící plochy (žeber) nelze umístit symetricky kolem osy otáčení. Obrázky 18 a 19: Model odlitku nosiče pro rotující usměrňovače strojů osových výšek 630mm 8-7

8 Na první pohled je sice opracování chladiče nesymetrické, ale po zkompletování celé sestavy rotujícího usměrňovače dojde k lepšímu vycentrování hmot okolo osy otáčení vlivem nesymetrického rozložení usměrňovacích modulů (viz obrázky 20 a 21). U této sestavy je varistor umístěn v prostoru mezi jednofázovým modulem a žebrem chladiče ve vyfrézovaném prostoru, který polohu varistoru fixuje proti posunutí (viz obrázek 20). Tvarování propojovacích svorek potom zajišťuje varistor proti vypadnutí (viz obrázek 22). Obrázky 20 a 21: Model sestavy třífázového usměrňovače pro synchronní stroje osových výšek 630mm propojovací svorky varistor Obrázek 22: Detail montáže usměrňovače zobrazení bez nosiče 8-8

9 Porovnání nákladů na nákup usměrňovacích modulů Náklady na nákup usměrňovacích prvků jsou u sestav usměrňovačů následující: původní konstrukce nové konstrukce druh usměrňovače usměrňovače pro osové výšky 350, 450, 560 usměrňovač pro osové výšky 560, 630 usměrňovač pro osové výšky 350, 450 usměrňovač pro osové výšky 560 usměrňovač pro osové výšky 630 použité polovodiče 1x třífázový modul = 160A 6x dioda = 170A 3x jednofázový modul = 82A 1x třífázový modul = 88A 3x jednofázový modul = 82A teoretická proudová zatížitelnost celého usměrňovače 160A = kč cena za cena/1a použité moduly kč / 1A = 3 170A 295A 14500kč 49kč / 1A = 3 82A 142A 3200kč 22,5kč / 1A = 88A 1400kč 16kč / 1A = 3 82A 142A 3200kč 22,5kč / 1A Výsledky kalkulací ukazují, že cena usměrňovačů se třemi jednofázovými moduly je srovnatelná s cenou původních usměrňovačů s jedním třífázovým 160A modulem. Pro případy, kde by se použily tyto usměrňovače (3. a 5. řádek tabulky) jako náhrada za usměrňovače se šesti diodami (2. řádek tabulky) je cena vztažená na jednotku proudu dokonce více než 2x menší. V praxi to znamená, že náhradou usměrňovače se třemi moduly za usměrňovač se šesti diodami dojde k úspoře přibližně 11300kč na nákupu polovodičů. Závěr Na základě výsledků cenových kalkulací je evidentní, že konstrukce rotujících usměrňovačů s moduly jsou schopny nahradit většinu dříve používaných usměrňovačů, přičemž výsledná cena sestavy bude buď nižší, nebo porovnatelná s cenou původního řešení. Z konstrukčního hlediska bude výroba usměrňovačů pro stroje osových výšek 630mm jednodušší z důvodu snadnějšího opracování nosiče chladiče a absence izolačního nosného kruhu [1]. Použití modulů by navíc mělo zajistit mechanickou pevnost a odolnost při provozu. To má v konečném důsledku vliv na redukci nákladů na servis a dodávku náhradních dílů pro usměrňovače, které během provozu selhaly. Článek byl zpracován s podporou výzkumných záměrů MSM a FI-IM2/033. Použitá literatura [1] NĚMEC, J, ONDRŮŠEK,Č.: Návrh rotujícího usměrňovače pro synchronní bezkroužkové generátory výkonů v jednotkách MVA - část 1, 2007, ISSN , 8-9