Idők:

1. 6.9. Lendítőkerekes energiatárolók korszerű hajtásai és szabályozási módszerei6.9.1. Lendítőkerekes energiatároló hajtás működése • A lendítőkerekes energiatároló az L szögsebességgel forgó L tehetetlenségi nyomatékú tömeg ELkinetikus energiáját hasznosítja. A maximális kinetikus energia a maximális szögsebességhez tartozik • (6.1a,b) • A tárolható ELmax energia k-ad részét akarjuk hasznosítani • - (6.2) • (6.3) • (6.4)

2. 6.9.1. ábra. Korszerű lendítőkerék hajtás.a) Blokkvázlat, b) Üzemi tartomány, c) Határok teljes kihasználása. • A kinetikus energia a lendítőkerék villamos hajtásának az mL nyomatékával, illetve pL teljesítményével szabályozható: • (6.5)

3. Idők: • A következőkben optimális és veszteségmentes viszonyokat tételeztünk fel. Ilyenkor a hajtás • T=TLin(2k)/(22k) (6.6)idő alatt képes a lendítőkereket álló állapotból Lmax-ra felgyorsítani, ELmax kinetikus energiával feltölteni az 1-2-3 jelű pontoknak megfelelően. • Üzem közben maximálisan • (6.7)ideig képes PLn=PLmax teljesítményt leadni/felvenni a lendítőkerekes hajtás. • Az 6.9.1.c. ábra mutatja azt a határokat teljesen kihasználó esetet, amikor a pL teljesítmény PLmax között lüktet 2T periódus idővel és az EL energia ELmin és ELmax között változik lineárisan.

4. A feladat 6.9.2. ábra. A szélgenerátor pG és a lendítőkerék pL teljesítménye. • A lendítőkerék hajtás feladata lehet pl. egy szélgenerátor által szolgáltatott, a turbulencia miatt lüktető pG teljesítmény kiegyenlítése. Ez a 6.9.2. ábra szerint pL=pGkpG lendítőkerék teljesítményt jelent.

5. Kezdőértékek, középértékek: • A teljesítménylüktetés kompenzálásának a megkezdésekor a lendkerék szögsebességét úgy célszerű beállítani, hogy a kompenzálási energiatartalék szimmetrikus és egyben maximális legyen. Ehhez EL=ELk és L=Lk értékek tartoznak: • (6.8a,b) (Ln=Lmin). • Pl. k=0,75-nél, ELk=2,5ELmin, ELmax=4ELmin, • k=0,9-nél, ELk=5,5ELmin, ELmax=10ELmin.

6. 6.9.3. ábra. Lendítőkerekes energiatároló működési határai k függvényében. • A 6.9.3. ábra a k függvényében mutatja az energia és szögsebesség határokat, valamint a célszerű közepes értékeket a névleges (Ln=Lmin, ELn=ELmin) értékekre normalizálva.

7. A kompenzálandó teljesítmény lüktetési frekvenciájának korlátja • Ha a lendkerék teljesítmény pl. Pm amplitúdójú és p körfrekvenciájú koszinuszos függvény szerint változik, ekkor a lendkerék energiája szinuszos lefolyású : • pL=Pmcospt=mLL. (6.9) • (6.10) • (6.1.a) alapján a lendítőkerék hajtás szögsebességének és nyomatékának időfüggvényei: • (6.11) • (6.12) • Ezek az időfüggvények is periodikusak, de nem szinuszosak.

8. 6.9.4-5. ábra. Függvények k=0,75 energiahasznosítási tényezővel. • A használt értékek: Pm=1

9. 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: • =(6.13) 6.9.6. ábra. Teljesítmény lüktetés amplitúdó és frekvencia korlátai k függvényében.

10. 6.9.2. Lendítőkerekes energiatárolók korszerű hajtásai • Az 6.9.1.a. ábra szerint felépített lendítőkerekes hajtások korszerű változataiban TE teljesítményelektronikaként frekvenciaváltót, VG villamosgépkéntkalickás rövidrezárt forgórészű aszinkrongépet, állandómágneses forgórészű szinuszmezős szinkrongépet és csúszógyűrűs forgórészű kétoldalról táplált aszikrongépet alkalmaznak. Ennek megfelelően a következőkben csak ezzel a három változattal

11. 6.9.2.1. Kalickás forgórészű aszinkrongépes lendítőkerék hajtás 6.9.7. ábra. a) Áraminverteres megoldás,

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 PLn=MLnLn=PLmax teljesítményre kell méretezni. Ez egyben az ARZ rövidrezárt aszinkrongép névleges teljesítménye is.

13. 6.9.2.2. Állandómágneses forgórészű szinuszmezős szinkrongépes lendítőkerék hajtás 6.9.8. ábra. A feszültséginverteres megoldás. • Ugyanazok a megoldások alkalmazhatókállandómágneses 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 PLn=MLnLn=PLmax.

14. 6.9.2.3. Csúszógyűrűs forgórészű kétoldalról táplált aszinkrongépes lendítőkerék hajtás 6.9.9. ábra. A feszültséginverteres modern megoldás. • Az állórészt közvetlenül kapcsolják a hálózatra (fL1=fH=50Hz), a forgórészt pedig feszültséginverteren keresztül kapcsolják ugyanarra a hálózatra. Ezáltal az fLrforgórészköri frekvencia, illetve a fordulatszám változtatható: • nL=(fL1fLr)/p* (6.14)

15. 6.9.10. ábra. Üzemi tartomány kétoldalról táplált aszinkrongépnél. k=0,75-höz L=L1/3, Lmax=(4/3)L1, Lmin=(2/3)L1. • A veszteségeket elhanyagolva az üzemi tartományt az L1=2fL1/p* szinkron szögsebességre szimmetrikusan célszerű felvenni: Lmax=L1+L, Lmin=L1L. Ekkor az energiahasznosítási tényező: • A teljes szögsebesség tartományban képes MLmax hajtó (töltő) és –MLmax fékező (kisütő) nyomatékra. Ha a teljesítményt PLmaxPLPLmax=MLmaxLmin szerint korlátozzuk, akkor a szaggatott tartományokban nem üzemel a hajtás. Az aszinkrongép névleges nyomatéka MAn=MLmax, névleges teljesítménye PAnMLmaxL1=PLmaxL1/(L1L). A teljesítményelektronikán csak a forgórészköri teljesítmény áramlik át.

16. 6.9.2.4. Egyenkörre csatlakozó lendítőkerék hajtás 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 pGk közepes teljesítmény áramlik át.

17. 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.

18. 6.9.4. Teljesítmény lüktetés szabályozása6.9.4.1. Teljesítmény lüktetés szabályozásának megvalósítása 6.9.13. ábra. Háromfázisú hálózatra csatlakozó kalickás aszinkrongépes lendítőkerekes hajtás szabályozókörének a blokkvázlata.

19. A lüktető villamos teljesítmény mért pG pillanatértékéből az SZ szűrő előállítja a pGk középértéket és e két teljesítmény különbsége adja a lendítőkerekes hajtás pLGa villamos teljesítményének az alapjelét: • pLGa=pGkpG. (6.31) • A pLGa-ból és az L lendítőkerék szögsebességből nyomaték alapjelet állít elő az MA egység: • mLa=(pLGapLv)/L, ha Lmin<L<Lmax, (6.32a) • mLa=mLv, ha LLmin, vagy LLmax. (6.32b) • Az L és az mLa 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 uLe egyenfeszültséget szabályozza az általa előírt pLHa hatásos teljesítmény alapjellel. • A SZULE feszültségszabályozó azt biztosítja, hogy a közbülsőköri CL kondenzátor uLe feszültsége és (1/2)CLenergiája állandó maradjon, azaz ne torlódjon fel energia a közbülső egyenáramú körben. • A qLHa 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.

21. 6.9.14.ábra. Állandómágneses szélgenerátor egyenkörére csatlakozó lendítőkerekes hajtás szabályozókörének a blokkvázlata.

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 pG+pLpH eredő teljesítmény áramlik át. Ennek megfelelően az SZUE feszültség szabályozó pHapGk 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 pG teljesítmény az ÁG áramirányító egyenáramú oldalán pG=ueieG szerint egyszerűen számítható és mérhető.

23. 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 pG 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) pL teljesítmény lett pozitív előjelű.

24. A vizsgált folyamat: • A lendítőkerék Lk=1,581pu szögsebességgel forog (6.9.8.b), k=0,75. • A szélgenerátor pGk közepes teljesítményéhez egy állandó PG amplitúdójú és Tp periódus idejű szinuszos turbulens lüktetést injektálunk. Ennek megfelelően a szélgenerátor teljesítménye: pG=pGk+pG. • A pG teljesítménylüktetés különböző fázishelyzetében kezdjük el a lendítőkerekes energiatárolóval a lüktetés kompenzálását (pLGa=pG). • A rendszer paramétereit a következőkre állítottuk, összhangban az elméleti vizsgálatokkal és a célul kitűzött kompenzálási tartományokkal: • Tp=1min=18850pu.; k=0,75 (Lmin=1pu, Lmax=2pu); PGk=1pu a legtöbb esetben; TVGin=1s=314pu; C=7; TLin=7*314=2198pu (így a (6.7) szerinti T=10,5s, ami kisebb mint 1min, de a pLa folyamatok alatt többségében így is messze van a PLmax=1pu értéktől).

25. 6.9.4.2.1. Tökéletes kompenzáció • Ha a rendszer nem éri el korlátait, a kompenzáció tökéletes. Ehhez kicsi lüktetési amplitúdó szükséges: PG=0,4-re lett választva. A számítási idő 40000pu. • A kompenzáció kezdete a pG negatív maximumánál (t=(3/4)Tp=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).

26. 6.9.15. ábra (1). Tökéletes kompenzáció.

27. 6.9.15. ábra (2). A folyamat időbeli lefolyása (klikk a képre)

28. 6.9.4.2.2. Lüktető komponens fázishelyzetének hatása6.9.16. ábra • a. AL aszinkrongép nyomatéka és szögsebessége, • b. Lendkerék pL teljesítménye és a pG+pL eredő teljesítmény.

29. 6.9.4.2.3. Fordulatszám korlátozások periódikusan6.9.17. ábra (1)

30. 6.9.17. ábra (2) A folyamat időbeli lefolyása (klikk a képre)

31. 6.9.4.2.4. Összes korlát elérése 6.9.18. ábra (1)

32. 6.9.18. ábra (2) A folyamat időbeli lefolyása (klikk a képre)

33. A villamos gép veszteségeinek kompenzálása 6.9.18. ábra a. AL aszinkrongép nyomatéka és szögsebessége, b. Lendkerék pL teljesítménye és a pG+pL eredő teljesítmény.