Middenspanningsomvormers
Nu met IGBT’s
Wie het toerental van een
middenspanningsmotor wil regelen, moet op dit ogenblik gebruik maken van vrij
complexe inrichtingen. Daar komt in de zomer 1998 verandering in. Bij Siemens
verschijnt dan een nieuw gamma middenspannings-omvormers voor vermogens tot 5
MW. Hoe deze frequentieregelaars er uit zien, beschrijft deze bijdrage.
version
française
Men kan de huidige
methoden voor middenspanningomvorming als omslachtig omschrijven. Zo wordt
bijvoorbeeld op één manier de netspanning eerst omlaaggetransformeerd, om dan
via een frequentie-omvormer en een uitgangstransformator weer op de gewenste
spanning te komen. Ook worden er synchrone motoren met omvormingssysteem
gebruikt. Kenmerkend voor deze systemen is de relatief hoge kostprijs, grote
afmetingen, het beperkt regelbereik en niet al te veel dynamiek. Tot op heden
treffen we in het MV-gebied wel omvormers met GTO’s tot 8 MVA en 6 kV aan.
Deze zijn echter constructief gezien veel complexer, lees duurder, dan de MV
reeks met IGBT’s.
De nieuwe omvormer « Simovert-MV » wil hier een technisch
fundamenteel andere oplossing aanbieden. Het nieuwe gamma is leverbaar in een
vermogengebied van 800 kW tot 5 MW. Het systeem is modulair van opbouw en wordt,
afhankelijk van het vermogen, met lucht of met water gekoeld. In het laatste
geval vormt het waterkoelingssysteem een autonome eenheid binnen het
aandrijfsysteem.
Wisselrichter
De kern van de zaak is de toepassing van de meest moderne
vermogenhalfgeleiders. Het gaat om hoogspannings IGBT’s (Insulated Gate
Bipolair Transistor). Hiermee kan een hogere schakelfrequentie en een hoger
rendement gerealiseerd worden dan met GTO’s, thyristoren of IGCT’s.
Daarenboven kunnen de IGBT’s op een eenvoudigere manier met minder
bouwelementen gestuurd worden. Tevens is een IGBT, dank zij zijn
stroombegrenzende eigenschappen, kortsluitvast en dit zonder gebruik te maken
van een uitgangsfilter. Door middel van deze componenten en door gebruik te
maken van de driepuntsschakeltechniek verkrijgt men nagenoeg sinusvormige
motorstromen. Belangrijk is dat filters aan de uitgang van de wisselrichter niet
meer nodig zijn, zodat de dynamiek daardoor niet aangetast wordt. De mooiere
stroomvorm houdt in dat er minder harmonischen zijn, met als gevolg dat de motor
minder snel opwarmt. Dit betekent eveneens dat een inperken van het
motorvermogen bij bepaalde toerentallen niet direct noodzakelijk is.
Ingangsbrug
Het Simovert-MV systeem is standaard met een DFE (Diode Front End) als
ingangsbrug uitgerust. De 12-pulsige diodenbruggelijkrichter is gecombineerd met
een driepuntschakeling aan de machinezijde. Met deze schakeling kan men in beide
richtingen aandrijven en met behulp van een bijkomende weerstandremchopper kan
men afremmen.
Dank zij de modulaire opbouw kan de DFE-brug vervangen worden door een AFE
(Activ Front End). Hierdoor wordt het mogelijk een vierkwadrantenbedrijf te
voeren met energierecuperatie naar het net. Ook kan de AFE netstoringen zonder
noemenswaardige overstromen opvangen. Blindvermogen wordt niet uit het net
opgenomen (cos phi = 1) en meer nog, het AFE is in staat om het blindvermogen
van andere verbruikers te compenseren. In de standaarduitvoering met een
twaalfpulsige ingangsbrug kunnen door toepassing van een transformator met
driewikkelsysteem de 5de, 7de, 17de, 19de, enz. harmonischen beperkt blijven. De
AFE kan door middel van parameterinstellingen verder de 11de en de 13de
harmonischen reduceren.
Regeling en besturing
De regeling en besturing is opgebouwd uit Risc- en digitale processors
waarbij aftasttijden van 100 µs realiseerbaar zijn. Door toepassing van
vectorregeling zoals in de Master Drivesystemen van Siemens is een hoge dynamiek
realiseerbaar. Via Profibus-DP kan de aandrijving in een automatiseringsgeheel
opgenomen worden. De mogelijkheid bestaat tevens om met Teleservice op afstand
diagnose te stellen en eventueel parameters te verstellen. Ook aan de
servicevriendelijkheid werd veel aandacht besteed.
Toepassingen
Simovert MV wordt voor de standaard wereldspanningen gebouwd : 2,3 kV
en 4,16 kV voor NAFTA en Zuid-America en 3,3 kV en 6 kVvoor Europa en
Azië.Hiermee kunnen vele synchrone en inductiemotoren voor ventilatie, pompen,
blowers en compressoren alsook aandrijvingen in de steenontginning, extruders,
enz. aangedreven worden. Ook de transporten van zware goederen kunnen flexibeler
gemaakt worden.
Besluit
Dank zij de nieuwe middenspannings-IGBT’s is Siemens in staat de directe
aandrijving van MV-motoren te realiseren. Gezien meer dan 80% van die motoren
een vermogen hebben dat lager is dan 5 MW, kan het productaanbod het grootste
deel van de vraag dekken. Alleen al het hoge rendement is een voldoende argument
voor de nieuwe oplossing.
Herman Paternoster
Transformateurs
de tensions intermédiaires
Maintenant avec des IGBT
Pour régler aujourd’hui le
régime d’entraînement d’un moteur à tension intermédiaire, il faut avoir
recours à des équipements relativement complexes. L’été 1998 apportera des
modifications dans ce domaine. Siemens lance alors une nouvelle gamme de
régulateurs de tension intermédiaire pour les puissances jusqu’à 5 MW. Cet
article se propose de décrire ces régulateurs de fréquence.
Les méthodes actuelles de
transformation de la tension intermédiaire peuvent être décrites comme très
circonstanciées. La tension du réseau est, par exemple, d’abord transformée
vers le bas pour ensuite être ramenée à la tension souhaitée via un
transformateur de fréquence et un transformateur de sortie. On utilise
également des moteurs synchrones avec système de transformation. Les
caractéristiques pour ces systèmes sont le coût relativement élevé, les
dimensions importantes, le champ de réglage limité et le manque de dynamique.
A ce jour, nous trouvons dans le domaine des MV des transformateurs avec des GTO
jusqu’à 8 MVA et 6 kV. Ceux-ci sont toutefois de construction nettement plus
complexes, donc plus chers, que la série des MV avec IGBT.
Le nouveau transformateur « Simovert-MV » veut apporter une solution
d’une technicité fondamentalement différente. La nouvelle gamme est
disponible en un champ de puissances allant de 800 kW à 5 MW. Le système est
de construction modulaire et est, suivant la puissance, refroidi par air ou par
eau. Dans le dernier cas, le système de refroidissement par eau forme une
unité autonome au sein du système d’entraînement.
Redresseur bidirectionnel
Au centre de la question se situe l’application des semi-conducteurs de
puissance les plus modernes. Il s’agit d’IGBT (Insulated Gate Bipolair
Transistors) de haute tension. Ils permettent une fréquence de commutation plus
élevée et un rendement accru par rapport aux GTO, thyristors ou IGCT. La
commande d’un IGBT est, en outre, plus simple et elle nécessite moins d’éléments
de construction. De plus, grâce à ses caractéristiques de limitation de
courant, un IGBT est à l’épreuve des courts-circuits et cela sans avoir
recours à un filtre de sortie. Grâce à ces composantes et en faisant usage de
la technique de la commutation à trois points, on obtient des courants de
moteurs quasiment sinusoïdaux. L’absence de filtres à la sortie du
redresseur bidirectionnel est très importante car ils ne détériorent plus la
dynamique. La forme améliorée du courant implique moins de présences d’harmoniques
avec, pour conséquence, un moteur qui chauffe moins vite. Cela signifie
également qu’une limitation de la puissance du moteur à certains régimes n’est
pas directement indispensable.
Pont d’entrée
Dans sa version standard, le système Simovert MV est équipé d’un DFE
(Diode Front End) comme pont d’entrée. Le redresseur de ponts de diodes à 12
impulsions est combiné avec une commutation à trois points du côté de la
machine. Grâce à la construction modulaire, le pont DFE peut être remplacé
par un AFE (Activ Front End). Ceci permet un fonctionnement à quatre quadrants
avec récupération d’énergie vers le réseau. L’AFE est également en
mesure de compenser des perturbations de réseau sans courants de surcharge
dignes de mention. La puissance déwattée n’est pas absorbée du réseau (cos
phi = 1) et, plus encore, l’AFE est capable de compenser la puissance
déwattée d’autres consommateurs. Dans une version standard avec pont d’entrée
à douze impulsions, l’application d’un transformateur à triple système d’enroulement
peut limiter harmoniquement les 5ème, 7ème, 17ème, 19ème, etc. Ensuite, l’AFE
peut, au moyen de réglages de paramètres, poursuivre la réduction harmonique
des 11ème et 13ème.
Régulation et commande
La régulation et la commande sont édifiées à partir de processeurs
« Risc » et de processeurs digitaux qui permettent des durées de
balayage de 100 µs. L’application d’une régulation des vecteurs, comme
dans le cas des systèmes Master Drive de Siemens, permet une dynamique très
élevée. L’entraînement peut être incorporé dans un ensemble d’automatisation
via Profibus-DP. On a également la possibilité d’effectuer des diagnostics
à distance avec Téléservice et même, éventuellement, de corriger des
paramètres. Une attention particulière à été accordée à la simplicité d’entretien.
Applications
Le Simovert MV est construit pour les tensions standardisées dans le monde
entier : 2,3 Kv et 4,16 kV pour NAFTA et l’Amérique du Sud ainsi que 3,3
kV et 6 kV pour l’Europe et l’Asie. Cela permet l’entraînement de
nombreux moteurs synchrones et de moteurs à induction pour les ventilateurs,
les pompes, les souffleries et les compresseurs ou encore les entraînements
dans les carrières, les installations d’extrusion, etc. Les transports de
marchandises lourdes peut également devenir plus flexible.
Conclusion
Grâce aux nouveaux IGBT à tension intermédiaire, Siemens est en mesure d’assurer
l’entraînement direct de moteurs MV. Comme plus de 80 % de ces moteurs
disposent d’une puissance inférieure à 5 MW, l’offre est en mesure de
couvrir la majeure partie de la demande. A lui seul, le rendement élevé
représente un argument suffisant pour cette nouvelle solution.
Herman Paternoster
