energiatárolók korszerű hajtásai

6.9. Lendítőkerekes

energiatárolók korszerű hajtásai és szabályozási módszerei

6.9.1. Lendítőkerekes

energiatároló hajtás működése

 A lendítőkerekes energiatároló az _L szögsebességgel forgó _L tehetetlenségi nyomatékú tömeg E_L kinetikus energiáját hasznosítja. A maximális kinetikus energia a maximális szögsebességhez tartozik

 E_L = ¹₂θ_Lω_L², E_Lmax = ¹₂θ_Lω_Lmax² (6.1a,b)

 A tárolható E_Lmax energia k-ad részét akarjuk hasznosítani

 ∆E_Lmax = E_Lmax-E_Lmin = kE_Lmax (6.2)

 E = ¹θ ω² = (1 − k)E (6.3)

6.9.1. ábra. Korszerű lendítőkerék hajtás.

a) Blokkvázlat, b) Üzemi tartomány, c) Határok teljes kihasználása.

2

 A kinetikus energia a lendítőkerék villamos hajtásának az m_L

nyomatékával, illetve p_L teljesítményével szabályozható:

 p_L = ^dE_dt^L = m_Lω_L (6.5)

H T E V G

Á

L 

 M O T.

G E N .

L

L

pL

_L

_{L m ax}

_{L m in} PL

PLm ax

-M_{Lm ax} 0 M_L

3

2 1 -

m_L

a) b )

m ax

m ax

P_{L m ax}

L m ax

-P

P_L

EL

E

E_{L m ax}

L m ax

T T

t

c)

Idők:

 A következőkben optimális és veszteségmentes viszonyokat tételeztünk fel. Ilyenkor a hajtás

 T=T_Lin(2k)/(22k) (6.6)

idő alatt képes a lendítőkereket álló állapotból _Lmax-ra felgyorsítani, E_Lmax kinetikus energiával feltölteni az 1-2-3 jelű pontoknak megfelelően.

 Üzem közben maximálisan

 ∆T = T − T_Lin = _2−2k^k CT_VGin (6.7)

ideig képes P_Ln=P_Lmax teljesítményt leadni/felvenni a lendítőkerekes hajtás.

 Az 6.9.1.c. ábra mutatja azt a határokat teljesen kihasználó esetet, amikor a p_L teljesítmény P_Lmax között lüktet 2T periódus idővel és az E_L energia E_Lmin és E_Lmax között változik lineárisan.

E_L = p_Ldt

A feladat

6.9.2. ábra. A szélgenerátor p

és a lendítőkerék p

teljesítménye.

4

 A lendítőkerék hajtás feladata lehet pl. egy szélgenerátor által szolgáltatott, a turbulencia miatt lüktető p_G teljesítmény kiegyenlítése. Ez a 6.9.2. ábra szerint p_L=p_Gkp_G lendítőkerék teljesítményt jelent.

p

p

p

G k G

L

0

0

t

t K isü tés

T öltés

Kezdőértékek, középértékek:

 A teljesítménylüktetés kompenzálásának a megkezdésekor a lendkerék szögsebességét úgy célszerű beállítani, hogy a

kompenzálási energiatartalék szimmetrikus és egyben maximális legyen. Ehhez E_L=E_Lk és _L=_Lk értékek tartoznak:

 E_Lk = ^ELmin+E₂ ^Lmax = ^θLω₂^Lk2 ω_Lk = ω_{Ln 2−2k}^2−k = ω_Lmax ^2−k₂ (6.8a,b) (_Ln=_Lmin).

 Pl. k=0,75-nél, ω_Lk = ω_Ln 2,5 E_Lk=2,5E_Lmin, E_Lmax=4E_Lmin,

 k=0,9-nél, ω_Lk = ω_Ln 5,5 E_Lk=5,5E_Lmin, E_Lmax=10E_Lmin.

6.9.3. ábra. Lendítőkerekes energiatároló működési határai k függvényében.

6



határokat, valamint a célszerű közepes értékeket a névleges (_Ln=_Lmin, E_Ln=E_Lmin) értékekre normalizálva.

A kompenzálandó teljesítmény

lüktetési frekvenciájának korlátja

 Ha a lendkerék teljesítmény pl. P_m amplitúdójú és _p körfrekvenciájú koszinuszos függvény szerint változik, ekkor a lendkerék energiája szinuszos lefolyású :

 p_L=P_mcos_pt=m_L_L. (6.9)

 E_L = p₀^t _Ldt + E_L0 = ^P_ω^m

P sinω_Pt + E_L0 (6.10)

 (6.1.a) alapján a lendítőkerék hajtás szögsebességének és nyomatékának időfüggvényei:

 ω_L² = ω_LP² sinω_Pt + ω_L0² ω_LP² = _θ^2Pm

Lω_P (6.11)

 m_L = _ω^PL

L = ^PmcosωPt

ω_LP² sinω_Pt+ω_L0² (6.12)

6.9.4-5. ábra. Függvények k=0,75 energiahasznosítási tényezővel.

8

 A használt értékek: P_m=1

ω_L0 = ω_Lk = ω_Ln 2,5 = 1 2,5 ≈ 1,581 ω_LP² = ω_Lmax² − ω_L0² = 4 − 2,5 = 1,5

 Az első periódusban az _L szögsebesség maximuma _pt=90°-nál van. Ez maximálisan _Lmax lehet. A (6.11) egyenletből helyettesítéssel,

összefüggést kapunk a teljesítménylüktetés megengedett amplitúdója és körfrekvenciája között, arra az esetre, amikor a teljes szögsebesség

változási tartományt kihasználjuk:

 ω_P ≥ _kE^2Pm

Lmax= ^2P_kE^m(1−k)

Lmin (6.13)

6.9.6. ábra. Teljesítmény lüktetés amplitúdó és frekvencia

korlátai k függvényében.

6.9.2. Lendítőkerekes

energiatárolók korszerű hajtásai

10

 Az 6.9.1.a. ábra szerint felépített lendítőkerekes hajtások korszerű változataiban

TE teljesítményelektronikaként frekvenciaváltót, VG villamosgépként

kalickás rövidrezárt forgórészű aszinkrongépet,

állandómágneses forgórészű szinuszmezős szinkrongépet és csúszógyűrűs forgórészű kétoldalról táplált

aszikrongépet alkalmaznak.

Ennek megfelelően a következőkben csak ezzel a három változattal

6.9.2.1. Kalickás forgórészű

aszinkrongépes lendítőkerék hajtás

6.9.7. ábra.

a) Áraminverteres megoldás,

m

H

H c H b H a f f

Á G Á H

p

L

 _L _L

A R Z

=50Hz

_L

i L

e

a) a

b c

L 1

12

b) Feszültséginverteres megoldás.

 Ez a változat képes az 6.9.1.b. ábrán szemléltetett üzemi tartomány mezőgyengítéses átfogására. AZ ÁG-ből és ÁH-ból álló

teljesítményelektronikát az 6.9.1.b. ábra 2 jelű pontjának megfelelően P_Ln=M_Ln_Ln=P_Lmax teljesítményre kell

méretezni. Ez egyben az ARZ rövidrezárt aszinkrongép névleges teljesítménye is.

L

L

fL 1

m

a b

c C u_e

H a H b

A R Z H c

Á G Á H

=50Hzf H

b )

p

L

L

6.9.2.2. Állandómágneses forgórészű

szinuszmezős szinkrongépes lendítőkerék hajtás

6.9.8. ábra. A feszültséginverteres megoldás.

 Ugyanazok a megoldások alkalmazhatók állandómágneses

forgórészű szinkrongépnél mint a kalickás forgórészű aszinkrongépnél.

 Lendítőkerekes hajtáshoz a szinuszmezőst célszerű alkalmazni

 Az ÁH és ÁG teljesítményelektronika és az SZ szinkronmotor névleges teljesítménye itt is a 2 jelű ponthoz tartozó P_Ln=M_Ln_Ln=P_Lmax.

L

L

fL 1

m

a b

c C u_e

H a H b H c

Á G Á H

=50Hzf H

pL

S Z

L

6.9.2.3. Csúszógyűrűs forgórészű kétoldalról táplált aszinkrongépes lendítőkerék hajtás

14

6.9.9. ábra. A feszültséginverteres modern megoldás.

 Az állórészt közvetlenül kapcsolják a hálózatra (f_L1=f_H=50Hz), a

forgórészt pedig feszültséginverteren keresztül kapcsolják ugyanarra a hálózatra. Ezáltal az f_Lr forgórészköri frekvencia, illetve a fordulatszám változtatható:

 n_L=(f_L1f_Lr)/p* (6.14)

L

L

fL r

m

ra rb

rc C u_e

H a H b H c

Á G Á H

=50Hzf H

p

L

a b c fL 1

A C S

L

6.9.10. ábra. Üzemi

tartomány kétoldalról táplált aszinkrongépnél.

k=0,75-höz



=

/3,



=(4/3)

,



=(2/3)

.

 A veszteségeket elhanyagolva az üzemi tartományt az _L1=2f_L1/p*

szinkron szögsebességre szimmetrikusan célszerű felvenni:

_Lmax=_L1+_L, _Lmin=_L1_L. Ekkor az energiahasznosítási tényező:

 A teljes szögsebesség tartományban képes M_Lmax hajtó (töltő) és –M_Lmax fékező (kisütő) nyomatékra. Ha a teljesítményt P_LmaxP_LP_Lmax=M_Lmax_Lmin szerint korlátozzuk, akkor a szaggatott tartományokban nem üzemel a hajtás.

Az aszinkrongép névleges nyomatéka M_An=M_Lmax, névleges teljesítménye P M  =P  /(  ). A teljesítményelektronikán csak a









L m a x

L 1

L m in L

-P_{L m a x} P_{L m a x} 



3

2

1

-M_{L m a x} 0 M_{L m a x}

mL L

L

2 L

L /(1 )

4

k    

6.9.2.4. Egyenkörre csatlakozó lendítőkerék hajtás

16

6.9.11. ábra

 A teljesítménylüktetés kompenzációja a közbülső egyenkörben is elvégezhető.

 Egyforma nagyságú közbülső körű egyenfeszültséget választva a

szélgenerátor hajtás és a lendítőkerekes hajtás hálózati áramirányítói összevonhatók.

 A közös ÁH hálózati áramirányítón már lüktetésmentes p_Gk közepes teljesítmény áramlik át.

1

Á L G

L A L

 L c

L b L a

L

L 1

H

p

H

H c



pG

iC

i i

i

eG eH

eL

p

L

H b H a

f f f

ue

C

Á G Á H

c b a

S Z G

v

6.9.3. Lendítőkerekes energiatároló hajtások korszerű szabályozási

módszerei

6.9.12. ábra

 Bármely villamosgépekhez és a háromfázisú hálózathoz teljesen

megegyező, feszültséginverter kapcsolású áramirányítók csatlakoznak.

Ennek megfelelően a legbelső szabályozási hurokban lévő közvetlen vagy közvetett áramvektor szabályozások is

hasonlóak.

G a G b G c

H a H b

V G H c

Á G Á H

H álózat

va , vb , vc va , vb , vc Á ram vektor

szabályozás

Á ram vektor szabályozás

6.9.4. Teljesítmény lüktetés szabályozása

6.9.4.1. Teljesítmény lüktetés szabályozásának megvalósítása

18

6.9.13. ábra. Háromfázisú hálózatra csatlakozó kalickás aszinkrongépes lendítőkerekes hajtás szabályozókörének a blokkvázlata.

fL 1

A L

Á L G Á L H

SZ Á L G SZ Á L H

F A

S Z M A S Z U L E

fH

p p p

p

G G k L G a

L H a

L 

L a m

L a

U_{L ea} u_{L e}

qL H a

L

 A lüktető villamos teljesítmény mért p_G pillanatértékéből az SZ szűrő előállítja a p_Gk középértéket és e két teljesítmény különbsége adja a lendítőkerekes hajtás p_LGa villamos teljesítményének az

alapjelét:

 p_LGa=p_Gkp_G. (6.31)

 A p_LGa-ból és az _L lendítőkerék szögsebességből nyomaték alapjelet állít elő az MA egység:

 m_La=(p_LGap_Lv)/_L, ha _Lmin<_L<_Lmax, (6.32a)

 m_La=m_Lv, ha _L_Lmin, vagy _L_Lmax. (6.32b)

 Az _L és az m_La jelekből az FA egység meghatározza az AL kalickás aszinkrongép fluxusának a _La alapjelét. A gépoldali SZÁLG

szabályozó, az ÁLG áramirányítón keresztül, végzi az AL aszinkrongép nyomatékának és fluxusának a szabályozását.

 A szabályozás történhet mezőorientált áramvektor szabályozással (ekkor _La az AL rotorfluxusának az alapjele), vagy közvetlen nyomaték és fluxus szabályozással (ekkor _La az AL állórészfluxusának az

alapjele).

20

 A hálózatoldali SZULE feszültségszabályozó az u_Le

egyenfeszültséget szabályozza az általa előírt p_LHa hatásos teljesítmény alapjellel.

 A SZULE feszültségszabályozó azt biztosítja, hogy a közbülsőköri C_L

kondenzátor u_Le feszültsége és (1/2)C_L energiája állandó maradjon, azaz ne torlódjon fel energia a közbülső egyenáramú körben.

 A q_LHa meddő teljesítmény alapjelet külső, hálózati igények szabják meg.

 Az SZÁLH szabályozó, az ÁLH áramirányítón keresztül, végzi a

lendítőkerekes hajtás villamos hatásos és meddő teljesítményének a szabályozását.

 A szabályozás történhet hálózatorientált áramvektor szabályozással, vagy közvetlen hatásos és meddő teljesítmény szabályozással.

 A kalickás aszinkrongépes lendítőkerekes energiatároló hajtás ezzel az erősáramú és szabályozó körrel minden fajta lüktető teljesítmény

kompenzálására alkalmazható.

 Hasonló felépítésű az állandómágneses szinkrongépes lendítőkerék hajtás.

 A kétoldalról táplált aszinkrongépes lendítőkerék hajtás blokkvázlata annyiban eltérő, hogy ott mezőgyengítés nem lehetséges.

6.9.14.ábra. Állandómágneses szélgenerátor egyenkörére csatlakozó lendítőkerekes hajtás szabályozókörének a blokkvázlata.

G a G

K S Z V S Z





a

S Z G

v p

G

i i

i

eG e H

e L

L

f_{L 1}

A L

Á L G

SZ Á L G

F A

S Z M A

p p p

G G k L G a

L 

L a m_{L a}

SZ Á G

Á G

f1

qH a ue

Uea

pH a

fH

S Z U E SZ Á H

Á H

pL pG m érő

S Z N mG a

n n

22

 A lendítőkerék hajtás ÁLG gépoldali áramirányítójának a szabályozása most is ugyanúgy történik mint a 6.9.13. ábrán.

 A generátor hajtás és a lendítőkerék hajtás közös ÁH hálózati áramirányítóját úgy kell szabályozni mint a 6.9.13. ábrán az ÁLH áramirányítót.

 A különbség csupán annyi, hogy most az ÁH áramirányítón a

p_G+p_Lp_H eredő teljesítmény áramlik át. Ennek megfelelően az SZUE feszültség szabályozó p_Hap_Gk hatásos teljesítmény alapjelet állít be.

 A lendítőkerekes energiatároló hajtás ezzel az erősáramú és szabályozó körrel akkor alkalmazható, ha a lüktető teljesítmény forrása (pl. a

szélgenerátor) közbülső egyenáramú körös frekvenciaváltós hajtással rendelkezik.

 Ebben az esetben is mutatkozhatnak problémák, például a kétoldalról táplált aszinkrongépnél a teljesítmények a körülményes mérése miatt.

 Ha a lüktető teljesítményforrás teljesítményelektronikája a 6.9.14.

ábrán látható állandómágneses szélgenerátorral megegyező felépítésű, akkor a lüktető p_G teljesítmény az ÁG áramirányító

egyenáramú oldalán p_G=u_ei_eG szerint egyszerűen számítható és mérhető.

6.9.4.2. Teljesítmény lüktetés

szabályozásának szimulációja (MATLAB Simulink)

 Példaként a 6.9.13. ábrán bemutatott rendszer szimulációjának vizsgálatát mutatjuk be (AL).

 Egyszerűsítések:

 A lüktető teljesítmény forrásaként szélgenerátort tételeztünk fel.

 A szélgenerátort a lüktető p_G teljesítményével vettünk figyelembe.

 A feszültséginverter kapcsolású, ISZM vezérlésű áramirányítókat szabályozható amplitúdójú és frekvenciájú szinuszos feszültség forrásokkal modelleztük.

 A kalickás aszinkron gép (AL), a hálózat, a mechanikai rész és az egyenkör pontos állapotegyenleteivel szerepel a modellben.

 A szimulációban termelői pozitív irányokkal dolgoztunk, így a hálózatba adott (a lendítőkereket kisütő) p_L teljesítmény lett pozitív előjelű.

A vizsgált folyamat:

24

 A lendítőkerék _Lk=1,581pu szögsebességgel forog (6.9.8.b), k=0,75.

 A szélgenerátor p_Gk közepes teljesítményéhez egy állandó P_G amplitúdójú és T_p periódus idejű szinuszos turbulens lüktetést injektálunk. Ennek megfelelően a szélgenerátor teljesítménye:

p_G=p_Gk+p_G.

 A p_G teljesítménylüktetés különböző fázishelyzetében kezdjük el a lendítőkerekes energiatárolóval a lüktetés kompenzálását

(p_LGa=p_G).

 A rendszer paramétereit a következőkre állítottuk, összhangban az elméleti vizsgálatokkal és a célul kitűzött kompenzálási

tartományokkal:

 T_p=1min=18850pu.; k=0,75 (_Lmin=1pu, _Lmax=2pu); P_Gk=1pu a legtöbb esetben; T_VGin=1s=314pu; C=7; T_Lin=7*314=2198pu (így a (6.7) szerinti

T=10,5s, ami kisebb mint 1min, de a p_L a folyamatok alatt többségében így is messze van a P_Lmax=1pu értéktől).

6.9.4.2.1. Tökéletes kompenzáció

 Ha a rendszer nem éri el korlátait, a kompenzáció tökéletes.

Ehhez kicsi lüktetési amplitúdó szükséges: P_G=0,4-re lett választva. A számítási idő 40000pu.

 A kompenzáció kezdete a p_G negatív maximumánál (t=(3/4)T_p=14138-nál) van. Az így kialakuló szimmetrikus kisütési-töltési periódusok _L középértékét és a kompenzálási tartalékot változatlanul, a kiindulási optimális értéken

hagyják. Jól látszik a mezőgyengítés (6.9.24a,d. ábrák).

6.9.15. ábra (1). Tökéletes kompenzáció.

26

0 0.2 0.4 0.6 0.8

-0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0 0.1 0.2 0.3

idiq

d q

a)

0 1 2 3 4

x 10⁴ -0.5

0 0.5 1 1.5 2

pmw

b)

0 1 2 3 4

x 10⁴ -0.5

0 0.5 1 1.5

p

c)

0 1 2 3 4

x 10⁴ 0

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8

pszir

d)

iAL

L

mL

t [10⁴ pu]

t [10⁴ pu]

p_L pG+pL

t [10⁴ pu]

r

6.9.15. ábra (2). A folyamat időbeli lefolyása

0 0.2 0.4 0.6 0.8

-0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0 0.1 0.2 0.3

idiq

d q

a)

0 1 2 3 4

x 10⁴ -0.5

0 0.5 1 1.5 2

pmw

b)

0 1 2 3 4

-0.5 0 0.5 1 1.5

p

0 1 2 3 4

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8

pszir

iAL

L

mL

t [10⁴ pu]

t [10⁴ pu]

p_L pG+pL

t [10⁴ pu]

r

6.9.4.2.2. Lüktető komponens fázishelyzetének hatása 6.9.16. ábra

28

0 1 2 3 4

x 10⁴ -0.5

0 0.5 1 1.5 2

pmw

a)

0 1 2 3 4

x 10⁴ -0.5

0 0.5 1 1.5

b)

m_L

_L

t [10⁴ pu]

p_G+p_L

p_L

t [10⁴ pu]

a. AL aszinkrongép nyomatéka és szögsebessége,

b. Lendkerék p_L teljesítménye és a p_G+p_L eredő teljesítmény.

6.9.4.2.3. Fordulatszám korlátozások periódikusan 6.9.17. ábra (1)

-0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

-0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4

idiq

d q

1 2

3 4 5

6

7

a)

0 1 2 3 4 5

x 10⁴ -1

-0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5

pmw

1

2 3

4 5

6 7

b)

0 1 2 3 4 5

-1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2

p

1 2

3

4 5

6 7

0 1 2 3 4 5

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

1 2

3

4

5 6

7

iAL

_L

m_L

t [10⁴ pu]

t [10⁴ pu]

p_L

p_G+p_L

r

t [10⁴ pu]

6.9.17. ábra (2) A folyamat időbeli lefolyása

30

-0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

-0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4

idiq

d q

1 2

3 4 5

6

7

a)

0 1 2 3 4 5

x 10⁴ -1

-0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5

pmw

1

2 3

4 5

6 7

b)

0 1 2 3 4 5

x 10⁴ -1

-0.5 0 0.5 1 1.5 2

p

1 2

3

4 5

6 7

c)

0 1 2 3 4 5

x 10⁴ 0

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

1 2

3

4

5 6

7

d)

iAL

_L

m_L

t [10⁴ pu]

t [10⁴ pu]

p_L

p_G+p_L

r

t [10⁴ pu]

6.9.4.2.4. Összes korlát elérése 6.9.18. ábra (1)

0 1 2 3 4 5

x 10⁴ -1

-0.5 0 0.5 1 1.5 2

1

2 3

4

5 6 7

8

9

10 11 12

a)

-1 -0.5 0 0.5 1

0 0.5 1 1.5 2

1 2 3

4

5 6 8 7

9

10

11 12

c)

0 1 2 3 4 5

-1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5

p

1 2

3 4

5

6 7 8

9 10 11 12

6.9.18. ábra. Összes korlát elérése.

a. AL aszinkrongép

nyomatéka és szögsebessége, b. Lendkerék p

teljesítménye és a p

+p

eredő teljesítmény, c. Kompenzálási folyamat az



_L

mL

t [10⁴ pu]

t [10⁴ pu]

p_L p_G+p_L

L

mL

6.9.18. ábra (2) A folyamat időbeli lefolyása

32

0 1 2 3 4 5

x 10⁴ -1

-0.5 0 0.5 1 1.5 2

1

2 3

4

5 6 7

8

9

10 11 12

a)

-1 -0.5 0 0.5 1

0 0.5 1 1.5 2

1 2 3

4

5 6 8 7

9

10

11 12

c)

0 1 2 3 4 5

x 10⁴ -1.5

-1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5

p

1 2

3 4

5

6 7 8

9 10 11 12

b)

6.9.18. ábra. Összes korlát elérése.

a. AL aszinkrongép

nyomatéka és szögsebessége, b. Lendkerék p

teljesítménye és a p

+p

eredő teljesítmény, c. Kompenzálási folyamat az



-m

síkon.

_L

mL

t [10⁴ pu]

t [10⁴ pu]

p_L p_G+p_L

L

mL

A villamos gép veszteségeinek kompenzálása 6.9.18. ábra

0 1 2 3 4 5

x 10⁴ -1

-0.5 0 0.5 1 1.5 2

a)

0 1 2 3 4 5

x 10⁴ -1.5

-1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5

p

b)

L

mL

t [10⁴ pu]

pG+pL

t [10⁴ pu]

pL

a. AL aszinkrongép nyomatéka és szögsebessége,

b. Lendkerék p_L teljesítménye és a p_G+p_L eredő teljesítmény.