Návrh rotujícího pro synchronní bezkroužkové generátory výkonů v jednotkách MVA část 1 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, 612 00 Brno, Česká republika email: 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 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 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 konstruovat. Bezkroužkové budiče Protože není prozatím žádný vhodnější způsob, jak bezkontaktně přivést stejnosměrný proud do rotoru hlavního stroje, používá se k přivedení proudu do rotoru rotující budič. Ten je sestaven tak, že jeho stacionární část (stator budiče) je pevně přichycena ke štítu stroje, zatímco rotor je umístěn na hřídeli (viz. obrázek 1) a otáčí se společně s rotorem hlavního stroje. Budící výkon se přenáší ze statoru budiče do rotoru budiče magnetickým polem. Rotor i stator budiče jsou složeny z izolovaných plechů a sešroubovány do jednoho svazku (viz. obrázek 3). Stator budiče má několik pólů, na kterých je navinuto budící vinutí. Pro samonabuzení stroje jsou do otvor pro vyvedení vodičů do Obrázek 1: Umístění rotoru budiče na společné hřídeli s rotorem hlavního stroje 34-1 rotor hlavního stroje rotor budiče
jednoho až dvou pólů statoru budiče vloženy permanentní magnety (viz. obrázek 2). Stator a rotor budiče tvoří tedy samostatný synchronní stroj, kde na rozdíl od standardního synchronního stroje tvoří rotor budiče kotvu a stator budiče je napájen stejnosměrným proudem pro vybuzení magnetického pole. Rotor budiče napájí rotor hlavního stroje stejnosměrným proudem pro vytvoření severních a jižních magnetických pólů na pólech rotoru. Jelikož je ale výstupní proud z rotoru budiče střídavý, je potřeba jej nejdříve usměrnit m umístěným na hřídeli. Umístění rotujícího se většinou provádí na čele hřídele a vstupní i výstupní vodiče jsou vedeny otvorem ve středu hřídele dovnitř stroje (viz. obrázek 5). Další možné umístění je na nosném kruhu přímo uvnitř stroje. svazek plechů statoru budiče stator budiče vinutí statoru budiče vinutí rotoru budiče permanentní magnety svazek plechů rotoru budiče Obrázek 2: Stator budiče Obrázek 3: Sestava statoru a rotoru budiče Rotující Rotující plní stejnou funkci jako standardní. Liší se ovšem tím, že nejsou umístěny na stacionárním podkladu, ale jsou pevně spojeny s hřídelí stroje, která se otáčí určitou rychlostí. Problematika konstrukčního řešení takového není tak jednoduchá, jako problematika stacionárního. Jelikož je mnoho aplikací generátorů řádů jednotek MVA směřováno do lodního průmyslu, bývá jejich nejčastějším poháněcím strojem dieselový motor. Ten kromě otáčivého pohybu přenáší na hřídel také torzní kmitání a chvění, které mechanicky namáhá nejen usměrňovač, ale i celý generátor. Rotující jsou konstruovány jako třífázové, jejichž napájecí kmitočet může být (a zpravidla bývá) vyšší, než je jmenovitý kmitočet sítě 50Hz (60Hz). Usměrňovače generátorů této výkonové kategorie musí být schopny usměrnit a přenést do rotoru výkony desítek KVA a přitom musí být odolné jak mechanicky, tak i elektricky a tepelně. odlitek nosiče modul Obrázek 4: Rotující usměrňovač s diodovým můstkem 34-2
Původní konstrukce rotujícího Jelikož se ve výkonovém spektru jednotek MVA vyrábí celá řada generátorů v různých provedeních s různými výkony, bývají osazeny i několika rozdílnými usměrňovači. V poslední době vznikla potřeba změnit konstrukci třífázových rotujících usměrňovačů osazených třífázovými diodovými můstky. Původní konstrukce sestávala z hliníkového (nebo železného) nosiče, šestidiodového třífázového můstku a krytu, který zajišťoval krytí rotujících částí, odvod tepla a krytí stroje podle požadavků zákazníka. Materiál a tvar nosiče byl závislý na přenášeném výkonu přes usměrňovač do rotoru stroje. U strojů menších výkonů se používaly železné nosiče bez žebrování, u vyšších výkonů potom hliníkové nosiče s žebrováním pro snížení tepelného odporu a zvětšení chladící plochy. Obrázek 5: Vyvedení vodičů otvorem v hřídeli nosič varistor kryt kryt modul Obrázek 6: Původní konstrukce rotujícího Nosiče byly navíc opracovány tak, aby se daly připevnit na hřídel a bylo možné protáhnout přívodní vodiče k můstku. Kryty byly konstruovány ve dvou provedeních a to jako plechový výlisek 34-3
nebo hliníkový odlitek. Výlisky se používaly jako kryty u strojů menších výkonů a hliníkové odlitky u vyšších výkonů. Usměrňovací můstky byly nakupované dílce od firmy International Rectifier. Jeden můstek obsahoval šest diod zapojených tak, že tvořily třífázový usměrňovač. Diody jsou v modulech naletovány na nosnou desku a bezpotenciálově spojeny s chladící plochou. Problematika užití třífázových diodových modulů Třífázové můstky se svou velikostí, cenou i výkonem hodí do již zmíněných aplikací. Problém ovšem nastal v okamžiku, kdy výrobci těchto můstků přešli na jinou technologii a materiál při výrobě těchto můstků. Ještě před nějakou dobou byly můstky vyráběny tak, že naletované vývodní kontakty byly zality uvnitř modulu pevnou pryskyřicí, která zabraňovala uvolnění kontaktů a utržení pájeného spoje. Tato koncepce byla naprosto vyhovující. Výrobci usměrňovačů ovšem poté přešli na pružnou zalévací hmotu která už nezajišťuje kontakty mechanicky. To mělo za následek vznik závad, kdy došlo buď k uvolnění kontaktu a zkratu přímo na svorkovnici modulu, nebo k utržení vývodního kontaktu od a následnému selhání funkce. Byly provedeny pokusy o mechanické zajištění kontaktů svorkovnice a tím zamezení vzniku těchto závad, ale byly neúspěšné. I když byl vývodní kontakt zajištěn mechanicky proti posunutí, pájený spoj uvnitř modulu mechanicky zajištěn nebyl a proto došlo k utržení. Při pokusu o změnu dodavatele těchto můstků se zjistilo, že prakticky všichni výrobci přešli současně na stejnou zalévací hmotu a proto nebylo jejich další použití možné. Alternativy náhradního řešení rotujícího Při vytváření a vyhledávání náhradních variant řešení rotujícího bylo navrženo několik různých způsobů konstrukce, z nichž byly některé zamítnuty, protože nevyhovovaly po elektrické, mechanické, tepelné nebo cenové stránce. Prvotně velmi výhodnou konstrukcí se zdálo být řešení firmy OCRAM, která vyrábí rotující sériově pro stroje stejného druhu, ale nižšího výkonu. Po obdržení vzorku se ovšem narazilo na pár ne příliš vyhovujících mechanických řešení, které by později mohly mít vliv na jeho selhání v provozu. Jelikož je svazek rotoru i svazek rotoru budiče nalisován na hřídel, není možné tyto části z hřídele odstranit bez poškození. Rotující usměrňovač firmy OCRAM je konstruován pro umístění uvnitř stroje a jeho konstrukce je koncipována tak, že se usměrňovač upevňuje na hřídel mezi svazek spojovací vodivé kruhy nýtované a pájené kontakty usměrňovacích diod Obrázek 7: Detail spojovacích vodivých kruhů rotoru a rotor budiče. Vzhledem k nemožnosti demontáže některého z rotorových svazků na hřídeli v případě poruchy je zapotřebí, aby jeho konstrukce byla odolná proti všem nežádoucím vlivům, které mohou nastat (proudové přetížení, vliv přepětí, tepelné a mechanické namáhání) a zároveň bylo možno vyměnit polovodičové prvky v případě jejich zničení. Zmíněný rotující usměrňovač měl dva velké nedostatky. Usměrňovací diody byly napájené a zanýtované do nosného kruhu tak, že jejich demontáž 34-4
nebyla možná s použitím standardního nářadí a propojovací vodivé kruhy na nosném kruhu se zdály být velmi tenké a proudově poddimenzované (viz. obrázek 7). Při pokusném výpočtu byla přibližně vyčíslena 2 proudová hustota v propojovacích kruzích na 20A mm při odhadnutém maximálním proudu I max 150A a průřezu propojovacího kruhu 2 S 15 0,5 7,5mm. Takováto proudová hustota je naprosto nevyhovující vzhledem k rozměrům vodivých kruhů a zvýšené teplotě chladícího vzduchu uvnitř stroje (snížené účinnosti chlazení). usměrňovací diody přívody střídavého proudu vývody stejnosměrného proudu Obrázek 8: Rotující usměrňovač OCRAM Náhradou za dříve používané s třífázovými diodovými moduly byla zvolena konstrukce s diskrétními polovodičovými diodami a hliníkovým nosičem (viz. obrázek 9). Celá sestava je umístěna na konci hřídele a přikryta odlévaným krytem pro zajištění krytí stroje podle specifikace. Vzhledem k tomu, že nejsou pouzdra diod bezpotenciálová bylo nutno rozdělit hliníkový nosič na dvě elektricky izolované části mechanicky spojené elektricky nevodivým nosným kruhem. Diody jsou našroubovány do nosiče tak, aby byly účinně chlazeny hliníkovou chladící plochou a přitom nevzniklo nežádoucí propojení jednotlivých diod přes matice (závity diod) po montáži na hřídel. Stejně jako u původního řešení má nosič v ose nosného izolačního kruhu zhotoven otvor pro protažení kabelů. Ty jsou připojeny na jednoduchou svorkovnici, která je propojena s jednotlivými diodami. Vedle svorkovnice je uchycen varistor pro omezení přepěťových špiček a ochranu vinutí a diod. Použité usměrňovací prvky jsou rychlé diody typu D170S25C s hodnotou závěrného napětí U rrm 2500V a jmenovitým proudem I n 170A. Koncepce zmíněného se elektricky, mechanicky i tepelně ukázala jako naprosto bezproblémová a tedy vhodná pro aplikace tohoto typu. Jelikož je ovšem konstrukce tohoto složitější záležitostí jak materiálově (navíc svorkovnice, nosný izolační kruh), tak i výrobně (více pracovních operací), její vyhotovení se prodražuje v porovnání s původní konstrukcí. S uvažováním vyšších výrobních nákladů a neporovnatelně vyšší ceny polovodičových prvků (náklady na diskrétní diody jsou přibližně 4x vyšší, než na třífázový můstek) bylo ovšem potřeba najít jiné řešení, které by vyhovovalo po všech stránkách. 34-5
2007/34 27.9.2007 Obrázek 9: Rotující usměrňovač s diskrétními diodami a detail umístění varistoru Obrázek 10: Detail konstrukce izolovaného nosiče Závěr Na základě rozboru rotujících usměrňovačů a jejich možných variant je nutné navrhnout novou variantu, která by vyhovovala jeho aplikaci po všech stránkách. Návrh nového rotujícího bude předmětem druhé části článku. Článek byl zpracován s podporou výzkumných záměrů MSM 0021630516 a FI-IM2/033. 34-6