32

silnik indukcyjny

pierœcieniowy

w napêdzie odwracalnym,

w elektrowni szczytowo-pompowej

w celu przepompowania wody ze
zbiornika dolnego do górnego, ta
sama maszyna pracuje jako silnik
napêdu pompy wody. Zagadnienia
zwi¹zane z prac¹ maszyny elek-
trycznej w obu zakresach pracy
(generatorowym i silnikowym)
w hydroelektrowni szczytowo-
pompowej s¹ przedstawione w arty-
kule. Z uwagi na to, ¿e ta sama

D

zieje siê tak, gdy chcemy
zmagazynowaæ Ÿród³o
energii, jakim jest spadek

strumienia wody ze zbiornika górne-
go do dolnego. W tzw. „szczytach”
wytwarzania i poboru energii elek-
trycznej maszyna elektryczna
w hydroelektrowni szczytowo-
pompowej pracuje jako generator.
Poza szczytem (w tzw. „dolinach”),

maszyna elektryczna pracuje w za-
le¿noœci od potrzeb, na przemian
w obu zakresach pracy, ten rodzaj
pracy nazwano napêdem odwracal-
nym.

Generatory w elektrowniach,

tak¿e tych z hydroelektrowni
szczytowo-pompowych, s¹ w³¹-
czone do systemu energetycznego
kraju. Oznacza to, ¿e wytwarzana
energia elektryczna powinna cha-
rakteryzowaæ siê sta³ymi parame-
trami, tj. sta³¹ wartoœci¹ napiê-
cia na okreœlonym jej poziomie
oraz sta³¹ czêstotliwoœci¹ napiê-
cia w systemie. Dla hydroelektro-
wni szczytowo-pompowej oznacza
to potrzebê stabilizacji tych para-
metrów wyjœciowych generatora
(tj. wartoœci napiêcia i czêstotli-
woœci) niezale¿nie od warunków,
tzn. od iloœci energii mechanicznej
dostarczanej do wirnika generato-
ra (od wielkoœci energii mechani-
cznej wody napêdzaj¹cej wirnik
generatora) oraz warunków obci¹-
¿enia.

Wiadomym jest, ¿e zapotrze-

bowanie na wytwarzan¹ energiê
elektryczn¹ w systemie energety-
cznym zale¿y od wielu czynników:
pory roku, pory dnia itp. Istniej¹
tzw. „szczyty” zapotrzebowania

na energiê elektryczn¹, tj. maxima
jej poboru oraz tzw. „doliny”, tj.
minima zapotrzebowania na ener-
giê elektryczn¹. Pracuj¹ca hydro-
elektrownia szczytowo-pompowa
bardzo czêsto spe³nia w tym sy-
stemie rolê stabilizatora. Elektro-
wnie konwencjonalne (tj. z gene-
ratorami synchronicznymi) napê-
dzanymi z turbiny, maj¹ce zwykle
du¿e moce generatorów (zazwy-
czaj powy¿ej 200 MW), s¹ obiek-
tami, które w konkretnych warun-
kach nie mog¹ nad¹¿aæ za wyso-
k¹ dynamik¹ zmian wielkoœci
energii elektrycznej wytwarzanej
i tej zapotrzebowanej przez sys-
tem energetyczny.

Generatory w hydroelektro-

wniach szczytowo-pompowych
mog¹ i spe³niaj¹ rolê uzupe³nia-
j¹c¹ energii elektrycznej dla syste-
mu energetycznego. Mog¹ tak¿e
spe³niaæ rolê odbiorników energii
elektrycznej wytwarzanej przez
du¿e elektrownie konwencjonalne.
Praca generatorowa w uk³adzie
z silnikiem indukcyjnym klatko-
wym wymaga podwójnego prze-
kszta³cania pe³nej mocy za po-
moc¹ przekszta³tników sterowa-
nych. Moc tych przekszta³tników
nie zale¿y od zakresu regulacji

dr in¿. Jerzy Przybylski

Politechnika Warszawska

www.elektro.info.pl

6/2003

Stosowanie maszyn elektrycznych

w klasycznych elektrowniach do

generowania energii elektrycznej

polega na wykorzystaniu maszyny

indukcyjnej pracuj¹cej w zakresie

generatorowym. Jednak

w specjalnych rozwi¹zaniach

elektrowni, jakimi s¹

hydroelektrownie szczytowo-

pompowe, maszyna generuj¹ca

energiê elektryczn¹ (generator)

pracuje tak¿e w zakresie

silnikowym.

prêdkoœci hamowania, przy czym
przekszta³tnik zasilaj¹cy silnik
jest dodatkowo obci¹¿ony moc¹
magnesowania maszyn.

Podstawow¹ zalet¹ uk³adów

z silnikiem pierœcieniowym jest
zale¿noœæ mocy przekszta³tników
steruj¹cych (umieszczonych
w obwodzie wirnika) od zakresu
regulacji, przy czym ta zaleta od-
nosi siê zarówno do pracy silniko-
wej, jak i generatorowej. Stosuj¹c
w uk³adzie z silnikiem pierœcie-
niowym przekszta³tniki w pe³ni
sterowane (tranzystorowe), likwi-
duje siê podstawow¹ wadê uk³a-
dów kaskadowych, jak¹ by³ niski
wspó³czynnik mocy. Zatem w pe-
wnych rozwi¹zaniach silniki pier-
œcieniowe bêd¹ w dalszym ci¹gu
konkurencyjne dla silników klatko-
wych. Uk³ady przekszta³tnikowe
dla silnika pierœcieniowego mog¹
mieæ wiele rozwi¹zañ pozwalaj¹-
cych na dopasowanie cech uk³a-
du do wymagañ odbiorcy.

w³aœciwoœci

uk³adów

z maszyn¹

pierœcieniow¹

Maszyna pierœcieniowa stanowi

uk³ad o dwóch wejœciach elektry-
cznych i jednym mechanicznym.
Koniecznoœæ zasilania silnika zaró-
wno od strony stojana, jak i wirni-
ka mo¿na uznaæ za wadê, ponie-
wa¿ wymaga siê dodatkowych ko-
sztów instalacyjnych. Jednak mo¿-
na znaleŸæ tu równie¿ przypadek
korzystny, a mianowicie wtedy, gdy
moc uk³adu jest du¿a i pojawia
siê mo¿liwoœæ przy³¹czenia stoja-
na bezpoœrednio do sieci wysokie-
go napiêcia. Zalet¹ takiego rozwi¹-
zania jest wówczas wymiana mocy
na poziomie napiêcia, które w za-
sadzie nie jest dostêpne (lub zna-
cz¹co utrudnione) dla napêdów
przekszta³tnikowych.

Zmiana kierunku momentu

silnika indukcyjnego pierœcienio-
wego mo¿e byæ uzyskiwana
przez:

n

zmianê kierunku wirowania
pola wytwarzanego w stoja-
nie (prze³¹czenie kierunku
wirowania faz),

n

przez zmianê wartoœci po-
œlizgu (np. wystêpowanie po-
œlizgu ujemnego),

n

przez wymuszenie kierunku
(fazy) pr¹du w wirniku prze-
kszta³tnikiem.

Zmiana kierunku wirowania faz

w czasie stanu pracy ustalonej po-
woduje skokow¹ zmianê poœlizgu.
W pewnych sytuacjach poœlizg
ten mo¿e przyj¹æ doœæ du¿e war-
toœci, co decyduje o mocy uk³a-
du, przekszta³tnikowego prz y ³ ¹-
czonego do wirnika. Praca z du-
¿ym poœlizgiem eliminuje podsta-
wow¹ zaletê uk³adu, polegaj¹c¹
na ma³ej mocy przekszta³tnika.
Ponadto do zmiany kierunku wiro-
wania faz jest wymagany dodatko-
wy ³¹cznik lub uk³ad przekszta³-
tnikowy.

Zmiana kierunku momentu wy-

tworzonego w silniku indukcyjnym
o stojanie przy³¹czonym do sieci
sztywnej o sta³ej czêstotliwoœci
metod¹ zmiany wartoœci poœlizgu,
mo¿e odbyæ siê tylko za pomoc¹
maszyny roboczej, która napêdza-
j¹c uk³ad, zapewni przejœcie, np.
od prêdkoœci podsynchronicznej do
nadsynchronicznej. Po zmianie zna-
ku poœlizgu mo¿e nast¹piæ zmiana
kierunku momentu, w zale¿noœci
od rodzaju i metody sterowania uk-
³adu przekszta³tnikowego.

Sterowanie amplitud¹ i faz¹

pr¹du wirnika za pomoc¹ uk³adu
przekszta³tnikowego zapewnia
sterowanie momentem silnika
w ca³ym zakresie prêdkoœci nie-
zale¿nie od wartoœci i znaku po-
œlizgu. Jest to najbardziej uniwer-
salna metoda, ale najbardziej ko-
rzystna, gdy bezwzglêdne warto-
œci poœlizgu nie s¹ zbyt du¿e.

szyny indukcyjnej uk³adu napêdo-
wego MDZ sterowanego w obwo-
dzie wirnika.

P

R

=P

s

× s

Dowolny kierunek przep³ywu

energii przez przekszta³tnik
umo¿liwiaj¹ sterowane elementy
energoelektroniczne, takie jak: ty-
rystory bipolarne, tyrystory GTO,
tyrystory IGCT, tranzystory bipolar-
ne lub typu IGBT. Zalet¹ sterowa-
nia w obwodzie wirnika maszyny
indukcyjnej pierœcieniowej jest to,
¿e moc urz¹dzeñ pozwalaj¹cych
na regulacjê napêdu w zakresie
pracy generatorowej lub silnikowej
z regulowana prêdkoœci¹ obroto-
w¹ jest mniejsza od mocy samej
maszyny indukcyjnej. Z danych
opracowania Instytutu Energetyki
wynika, ¿e zakres zmian prêdko-
œci maszyny pracuj¹cej jako gene-
rator lub silnik napêdu pomp
w elektrowni szczytowo-
pompowej wynosi ok. 15 – 20%
w stosunku do prêdkoœci syn-
chronicznej

Ω

S

.

W uk³adzie napêdowym z Ma-

szyn¹ Dwustronnie Zasilan¹ MDZ
oznacza to równie¿, ¿e przekszta³-
tnik w obwodzie wirnika ma za za-
danie zmieniaæ swoje parametry
wyjœciowe z czêstotliwoœci¹ od
0 do ok. 7 Hz. Oznacza to równie¿,
¿e moc przekszta³tników w obwo-
dzie wirnika maszyny indukcyjnej
pracuj¹cej jako generator lub silnik
wynosi max. ok. 14% mocy hydro-
generatora. Dla uk³adu hydrogene-
ratora o mocy 30 MVA moc urz¹-
dzeñ przekszta³caj¹cych wyniesie
ok. 4,5 MVA, a dla hydrogenerato-
ra o mocy 200 MVA urz¹dzeñ, wy-
niesie ok. 30 MVA.

zakresy pracy uk-

³adu z MDZ

Zakres pracy silnikowej
Schematyczny rozp³yw mocy

dla zakresu pracy silnikowej uk³a-

du z MDZ pokazano na Rys. 2a
i 2b.

Zakres pracy silnikowej z MDZ

jest mo¿liwy przy prêdkoœciach

Ω

maszyny mniejszych od syn-

chronicznej

Ω

s

(

Ω

≤

Ω

s

) – rys. 2a

lub wiêkszych

Ω

≥

Ω

s

– rys. 2b.

Przedstawione na rysunkach sche-
matyczne kierunki przep³ywu mo-
cy oznaczaj¹, ¿e uzyskanie mocy
mechanicznej P

M

ruchu obrotowe-

go jest efektem dostarczania mocy
elektrycznej do stojana P

S

oraz

przep³ywu mocy w wirniku P

R

.

Dla prêdkoœci mniejszych od syn-
chronicznej (

Ω

≤

Ω

s

) z wirnika

nale¿y odprowadziæ moc poœlizgu
poprzez przekszta³tnik w³¹czony
do obwodu wirnika. Oznacza to fa-
lownikowy zakres przekszta³tnika
wirnikowego uk³adu MDZ.

Przy prêdkoœciach

Ω

wiêk-

szych od synchronicznej

Ω

≥

Ω

s

,

do obwodu wirnika nale¿y dopro-
wadziæ moc P

R

z przekszta³tnika

wirnikowego uk³adu MDZ. Powy¿-
szy rozp³yw dotyczy³ mocy czyn-
nej tj. tej, która jest zamieniana na
moc na wale w ruchu obrotowym
maszyny.

Moc bierna Q powinna byæ do-

starczana do maszyny indukcyjnej
uk³adu MDZ. Dostarczanie mocy
biernej Q mo¿e siê odbywaæ (w
zale¿noœci od przyjêtej struktury
systemu sterowania) przez obwód
stojana lub wirnika. W wiêkszo-
œci przypadków magnesowanie
silnika (czyli moc bierna Q) jest
dostarczana do silnika przez sto-
jan. Chc¹c dostarczyæ moc bier-
n¹ przez wirnik, nale¿a³oby po-
wiêkszyæ wartoœci parametrów
w wirniku. Przep³yw mocy
w wirniku obejmowa³by nie tylko
moc czynn¹ P

R

(P

R

zale¿y od

wielkoœci obci¹¿enia), ale tak¿e
moc biern¹ Q. Oznacza³oby to
odpowiednie przewymiarowanie
obwodu wirnika w stosunku do
stojana. Ten sposób dostarczania
mocy biernej przy zastosowaniu
odpowiedniego systemu sterowa-
nia jest mniej efektywny i rza-
dziej spotykany. Dla uk³adu,
gdzie moc bierna jest dostarcza-
na do silnika przez stojan, moc

34

www.elektro.info.pl

6/2003

mo¿liwoœci

regulacyjne

uk³adu z Maszyn¹

Dwustronnie

Zasilan¹ MDZ

Na rys. 1 przedstawiono sche-

mat blokowy uk³adu po³¹czeñ
uk³adu napêdowego hydrogene-
ratora z energetyczn¹ sieci¹ prze-
mys³ow¹ dla pracy w elektrowni
szczytowo-pompowej. Przep³yw
mocy w uk³adzie z regulowan¹
prêdkoœci¹ obrotow¹ maszyny in-
dukcyjnej pierœcieniowej w napê-
dzie MDZ jest zró¿nicowany zaró-
wno dla pracy generatorowej, jak

i pracy silnikowej, a tak¿e w za-
le¿noœci od wartoœci prêdkoœci
maszyny w stosunku do prêdko-
œci synchronicznej

Nale¿y zauwa¿yæ, ¿e usytuo-

wany w wirniku maszyny indukcyj-
nej przekszta³tnik sterowany, wi-
nien zapewniæ dowolny kierunek
przep³ywu energii, tj. od lub do
wirnika maszyny indukcyjnej pier-
œcieniowej. Wielkoœæ mocy, jaka
przep³ywa w dowolnym kierunku
przez przekszta³tnik wirnikowy jest
uzale¿niona od poœlizgu s. Ozna-
cza to, ¿e moc uk³adów prze-
kszta³caj¹cych jest funkcj¹ linio-
w¹ zakresu zmian prêdkoœci ma-

Rys. 1 Schemat blokowy po³aczeñ uk³adu napêdowego hydrogeneratora z ener-

getyczn¹ sieci¹ przemys³ow¹ dla pracy w elektrowni szczytowo-
pompowej

przekszta³tnika w³¹czonego do
wirnika jest zale¿na tylko od do-
puszczalnego zakresu zmian
prêdkoœci maszyny indukcyjnej.

Zakres pracy generatoro-

wej uk³adu z MDZ

Rozp³yw mocy czynnej dla za-

kresu pracy generatorowej z uk-
³adem MDZ przedstawiono na
rys. 2c i 2d.

Rys. 2c przedstawia rozp³yw

mocy czynnej uk³adu MDZ pracu-
j¹cego w zakresie generatorowym
przy prêdkoœciach mniejszych od
synchronicznej

Ω

≤

Ω

s

, a rys. 2d

przy prêdkoœciach wiêkszych od
synchronicznej

Ω

≥

Ω

s

Uzyskanie mocy czynnej

w stojanie PS maszyny indukcyj-
nej pracuj¹cej jako generator jest
efektem dostarczania mocy me-
chanicznej P

M

do wa³u maszyny

oraz mocy elektrycznej P

R

do wir-

nika przy prêdkoœciach mniej-
szych

Ω

≤

Ω

s

od synchronicznej.

Dla takich zmian prêdkoœci prze-
kszta³tnik wirnikowy pracuje
w zakresie falownikowym. Dla
prêdkoœci wirowania generatora
wiêkszych od synchronicznej

35

6/2003

www.elektro.info.pl

Ω

≥

Ω

s

energia elektryczna jest

generowana przez stojan P

S

i wir-

nik P

R

maszyny indukcyjnej. Prze-

kszta³tnik wirnikowy pracuje
w zakresie prostownikowym.

sterowanie w ob-

wodzie

wirnika oraz

struktury

obwodów

silnopr¹dowych

uk³adu MDZ

Realizacja techniczna prze-

kszta³tników w³¹czonych w ob-
wód wirnika maszyny indukcyjnej
MDZ polega na zastosowaniu:

n

bezpoœredniego przemiennika
czêstotliwoœci (BPCz) – cyklo-
konwertora,

praca silnikowa

Rys. 2 c, d Schematyczne kierunki przep³ywu mocy w uk³adzieMDZ dla zakresu

pracy generatorowej przy zmiana ch preêdkoœci w zakresach: c)
mniejszych od synchronicznej

Ω

≤

Ω

s

, d) wiêkszych od

synchronicznej

Ω

≥

Ω

s

praca generatorowa

Rys. 2 a, b Schematyczne kierunki przep³ywu mocy w uk³adzie MDZ dla zakre-

su pracy silnikowej przy zmianach prêdkoœci w zakresach:
a) mniejszych od synchronicznej

Ω

≤

Ω

s

, b) wiêkszych od synchro-

nicznej

Ω

≥

Ω

s

36

www.elektro.info.pl

6/2003

n

przemiennika czêstotliwoœci
z falownikiem pr¹du,

n

przemiennika czêstotliwoœci
z falownikiem napiêcia.

Struktury obwodów silnopr¹do-

wych z zastosowaniem w/w urz¹-
dzeñ przekszta³caj¹cych z zastoso-
waniem ró¿nych elementów energo-
elektronicznych przedstawiono na ko-
lejnych rysunkach.

Przedstawione na rysunkach

3 – 5 struktury obwodów silnopr¹-
dowych zawieraj¹ w swoich obwo-
dach takie elementy energoelektro-
niczne, jak tranzystory bipolarne
(bezpoœredni przemiennik czêstotli-
woœci – cyklokonwertor), tranzysto-
ry GTO (w falowniku pr¹du), tran-
zystory IGBT (w falowniku napiê-
cia). Z uwagi na parametry wy-
jœciowe, jakimi powinien charakte-
ryzowaæ siê przekszta³tnik w³¹-
czony w obwód wirnika maszyny
indukcyjnej MDZ i wynikaj¹cymi
z mocy hydrogeneratora i zakresu
zmian prêdkoœci, najbardziej wska-
zanymi elementami stosowanymi
do budowy struktur przekszta³tni-
ków s¹ tyrystory bipolarne, typu
IGCT oraz wy³¹czane pr¹dem
bramki typu GTO.

Do zasilania maszyny indukcyj-

nej asynchronicznej pierœcienio-
wej w uk³adzie napêdowym Ma-
szyny Dwustronnie Zasilanej MDZ
stosuje siê dwa podstawowe ro-
dzaje przekszta³tników:

n

zasilaj¹ce fazy wirnika silnika
pr¹dem formowanym w falo-
wnikach pr¹du,

n

pozwalaj¹ce wymusiæ pr¹d
o kszta³cie sinusoidalnym z wy-
korzystaniem bezpoœrednich prze-
mienników czêstotliwoœci lub fa-
lowników napiêcia.

Falowniki pr¹du s¹ aktualnie

stosowane dla du¿ych i bardzo du-
¿ych mocy uk³adów napêdowych,
a w ich obwodach wyjœciowych
wystêpuj¹ filtry pozwalaj¹ce na za-
silanie uzwojeñ maszyny pr¹dem
o kszta³cie sinusoidalnym. Kszta³t
pr¹du zasilaj¹cego uzwojenia ma-
szyny jest na tyle zbli¿ony do sinu-
soidalnego, ¿e zawartoœæ harmoni-
cznych w pr¹dzie jest niewielka.

Bezpoœrednie przemienniki

czêstotliwoœci stosowane w uk-
³adach, gdzie sygna³ zasilaj¹cy
uzwojenia zmienia swoj¹ czêsto-
tliwoœæ do ok. 10 Hz we wspó³-
pracy z maszyn¹ indukcyjn¹
asynchroniczn¹, sterowane w ob-
wodzie wirnika s¹ uk³adem, któ-
ry spe³niaj¹ wymagania stawiane
uk³adom w elektrowniach
szczytowo-pompowych.

W falownikach napiêcia dla

wymuszenia sinusoidalnego pr¹du
w fazach maszyny indukcyjnej sto-
sowane s¹ okreœlone sposoby. Naj-
czêœciej stosowana jest metoda
modulacji szerokoœci impulsów
(PWM). Czêstotliwoœæ zmian na-
piêcia o kszta³cie prostok¹tnym,
przy stosowaniu tej metody, jest
wielokrotnie wy¿sza od czêstotli-
woœci pr¹du p³yn¹cego w uzwo-
jeniach maszyny i wartoœci wiêk-
szej od amplitudy pierwszej harmo-
nicznej. Du¿a stromoœæ napiêcia
zasilaj¹cego uzwojenia stwarza
wiele niekorzystnych zjawisk (na-
prê¿enia w izolacji, co powoduje
koniecznoœæ podwy¿szenia zna-
cz¹co klasy izolacji uzwojeñ). Nie-
które rozwi¹zania w zastosowa-
niem falowników napiêcia stosuj¹-
cymi w sterowaniu metodê modu-
lacji szerokoœci impulsów dodatko-
wo wyposa¿ane s¹ w filtry wy-
jœciowe.

wnioski

Zastosowanie silnika indukcyjne-

go pierœcieniowego do napêdu od-
wracalnego w hydroelektrowni
szczytowo-pompowej ma du¿o za-
let, zw³aszcza dla uk³adów du¿ych
mocy (rzêdu kilkudziesiêciu do kil-
kuset MW) i ograniczony, stosunko-
wo niewielki zakres po¿¹danych
zmian prêdkoœci (ok. 5% – 10%)
z uwagi na mo¿liwoœci zastosowa-
nia w uk³adach zasilania w wirni-
ku przekszta³tników energoelektro-
nicznych tyrystorowych lub tranzy-

storowych. Zagadnienia sposobów
sterowania oraz oddzia³ywania uk-
³adu na sieæ zasilaj¹ca, tj. system
energetyczny, mog¹ byæ tematem
rozwa¿añ kolejnych artyku³ów.

q

Rys. 3 Schemat ideowo-blokowy uk³adu MDZ z bezpoœrednim prze-

miennikiem czêstotliwoœci – cyklokonwertorem CCV w obwo-
dzie wirnika

Rys. 4 Schemat ideowo-blokowy uk³adu MDZ

z tyrystorowym falownikiem pr¹du w wir-
niku

Rys. 5 Schemat ideowo-blokowy uk³adu MDZ z tranzystorowym falownikiem na-

piêcia w wirniku