Návrh rotujícího usměrňovače pro synchronní bezkroužkové generátory výkonů v jednotkách MVA část 1

2007/34 – 27.9.2007

Návrh rotujícího usměrňovače 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: [email protected], [email protected] Článek se zabývá analýzou rotujících usměrňovačů, používaných diodových modulů pro tyto aplikace a konstrukčním uspořádáním rotujícího usměrňovače 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 usměrňovače 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 usměrňovače 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 rotor hlavního stroje přichycena ke štítu stroje, zatímco rotor je umístěn rotor budiče 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 otvor pro vyvedení jednoho svazku (viz. vodičů do obrázek 3). Stator budiče usměrňovače má několik pólů, na kterých je navinuto budící vinutí. Pro samonabuzení stroje jsou do Obrázek 1: Umístění rotoru budiče na společné hřídeli s rotorem hlavního stroje 34-1

2007/34 – 27.9.2007 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 usměrňovačem umístěným na hřídeli. Umístění rotujícího usměrňovače se většinou provádí na čele hřídele a vstupní i výstupní vodiče usměrňovače jsou vedeny otvorem ve středu hřídele dovnitř stroje (viz. obrázek 5). Další možné umístění usměrňovače 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 3: Sestava statoru a rotoru budiče

Obrázek 2: Stator budiče

Rotující usměrňovače Rotující usměrňovače plní stejnou funkci jako standardní usměrňovače. 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 usměrňovače není tak jednoduchá, jako problematika usměrňovače 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 usměrňovače 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 usměrňovače

modul usměrňovače

Obrázek 4: Rotující usměrňovač s diodovým můstkem

34-2

2007/34 – 27.9.2007

Původní konstrukce rotujícího usměrňovače 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 usměrňovače, šestidiodového třífázového můstku a krytu usměrňovače, který zajišťoval krytí rotujících částí, odvod tepla a krytí stroje podle požadavků zákazníka. Materiál a tvar nosiče usměrňovače 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 Obrázek 5: Vyvedení vodičů otvorem v hřídeli snížení tepelného odporu a zvětšení chladící plochy.

nosič usměrňovače

kryt usměrňovače varistor

kryt usměrňovače modul usměrňovače

Obrázek 6: Původní konstrukce rotujícího usměrňovače Nosiče byly navíc opracovány tak, aby se daly připevnit na hřídel a bylo možné protáhnout přívodní vodiče k můstku. Kryty usměrňovače byly konstruovány ve dvou provedeních a to jako plechový výlisek

34-3

2007/34 – 27.9.2007 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 usměrňovače a následnému selhání funkce usměrňovače. 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 usměrňovače Při vytváření a vyhledávání náhradních variant řešení rotujícího usměrňovače bylo nýtované a pájené navrženo několik různých způsobů konstrukce, kontakty z nichž byly některé zamítnuty, protože usměrňovacích diod nevyhovovaly po elektrické, mechanické, tepelné nebo cenové stránce. Prvotně velmi výhodnou konstrukcí se zdálo být řešení firmy OCRAM, která vyrábí rotující usměrňovače sériově pro stroje stejného druhu, ale nižšího výkonu. Po obdržení vzorku se ovšem narazilo na pár ne příliš vyhovujících mechanických řešení usměrňovače, které by později mohly mít vliv na jeho selhání v provozu. Jelikož je svazek rotoru i svazek rotoru budiče nalisován na spojovací vodivé hřídel, není možné tyto části z hřídele odstranit kruhy bez poškození. Rotující usměrňovač firmy OCRAM je konstruován pro umístění uvnitř stroje a jeho konstrukce je koncipována tak, že Obrázek 7: Detail spojovacích vodivých kruhů se usměrňovač upevňuje na hřídel mezi svazek rotoru a rotor budiče. Vzhledem k nemožnosti demontáže některého z rotorových svazků na hřídeli v případě poruchy usměrňovače 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

2007/34 – 27.9.2007 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 proudová hustota v propojovacích kruzích usměrňovače na   20 A  mm 2 při odhadnutém maximálním proudu I max  150 A a průřezu propojovacího kruhu S  15  0,5  7,5mm 2 . 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 usměrňovače s třífázovými diodovými moduly byla zvolena konstrukce s diskrétními polovodičovými diodami a hliníkovým nosičem usměrňovače (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 usměrňovače 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  170 A . Koncepce zmíněného usměrňovače se elektricky, mechanicky i tepelně ukázala jako naprosto bezproblémová a tedy vhodná pro aplikace tohoto typu. Jelikož je ovšem konstrukce tohoto usměrňovače složitější záležitostí jak materiálově (navíc svorkovnice, nosný izolační kruh), tak i výrobně (více pracovních operací), její vyhotovení se prodražuje v porovnání s původní konstrukcí usměrňovače. 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 usměrňovače, která by vyhovovala jeho aplikaci po všech stránkách. Návrh nového rotujícího usměrňovače bude předmětem druhé části článku. Článek byl zpracován s podporou výzkumných záměrů MSM 0021630516 a FI-IM2/033.

34-6