Published On: Wed, Aug 5th, 2020

FR Drives – Practical Electrical Schemes

Cabinet-installed diode supply units of electric motor drives with frequency regulators

Diodne napajačke jedinice ormanskog tipa za elektromotorne pogone sa frekventnim regulatorima

Drawing and text of author Radoje Jankovic.

U ovoj seriji šema frekvencijom regulisanih elektromotornih pogona pokušaću da prikažem jasne šeme energetskih kola ili kola snage u jednoponom pa i tropolnom prkazu iz prakse.

Za teorijska razmatranja imate mnoštvo tekstora na Internetu i možete iste konsultovati.

In this series of electrical schemes I will try to show the clear power circuits in single- and three-line schemes of cabinet types of thyristor-diode supply units for motor drives with frequency regulators.

For theoretical consideration you have many texts presented in the Internet. Consult them alone.

1. Kratak princip rada

Napajačka jedinca jednosmerne struje ili ispravljač je polu-upravljani diodno-tiristorski ispravljač, koji ispravlja trofaznu naizmeničnu struju u jednosmernu struju za međulinkovsku jednosmernu vezu.

Međulinkovska jednosmerna veza preko jednosmernih sabirnica za velike snage napaja invertore koji pogone trofazne elektromotore.

U zavisnosti od kompleksnosti elektromotornog pogona može biti samo jedan invertor (single drive) ili više invertera za višemotorne pogone (multi drive) priključenih na među DC kolo.

Na donjoj slici br. 1. prikazano je glavno električno kole diodno-tiristorskoi ispravljača. U praksi se zove i Diodna Napajačka Jedinica (DNJ).

Tiristori (V11, V13, V15, V21, V23, V25) vezuju se na priključnice naizmenične struje u cikličnoj sekvenciji rada leva DC sabirnica (+) Diode (V12, V14, V16, V22, V24, V26) vezuju se na priključnice naizmenične struje u cikličnoj sekvenciji rada za levu DC sabirnicu (+). U normalnom stanu rada sa jednosmernom stgrujom, svaki tiristor i dioda provodi struju za period od 120 stepeni.

Postoje dva kontrolna režima za paljenje leve grane tiristora: režim punjenja i normalni režim. Režim punjenja je u radu kratak period posle uključenja prekidača: za to vreme je u među kolu u kome su kondenzatori u invertosrskom modulu/modulima se pune, pod uglom paljenja tiristora koji je kontrolisan od 270 do 0 stepeni. U normalnom režimu ugao paljenja je 0 stepeni: Tiristori rade kao diode.

  1. Short principle of operation

Thyristors (V11, V13, V15, V21, V23, V25) connect the AC line terminals in cyclic sequence to the left DC busbar (+). Diodes (V12, V14, V16, V22, V24, V26) connect the AC terminals in cyclic sequence to the right DC busbar (-). In the normal steady-state operation with continuous current, each thyristor and diode carries the current for a 120° period.

There are two control modes for the left leg thyristor firing: the charging mode and the normal mode. The charging mode is in operation a short period after the power switch on: While the intermediate circuit capacitors located in the inverter module(s) are charged, the thyristor firing angle is controlled from 270 to 0 degrees. In the normal mode, the thyristor firing angle is 0 degrees: The thyristors operate as diodes.

Thyristors (V11, V13, V15, V21, V23, V25) connect the AC line terminals in cyclic sequence to the left DC busbar (+). Diodes (V12, V14, V16, V22, V24, V26) connect the AC terminals in cyclic sequence to the right DC busbar (-). In the normal steady-state operation with continuous current, each thyristor and diode carries the current for a 120° period.

There are two control modes for the left leg thyristor firing: the charging mode and the normal mode. The charging mode is in operation a short period after the power switch on: While the intermediate circuit capacitors located in the inverter module(s) are charged, the thyristor firing angle is controlled from 270 to 0 degrees. In the normal mode, the thyristor firing angle is 0 degrees: The thyristors operate as diodes.

Ovde ću samo naglasiti da se razvodni ormani svake napajačke jedinice velikih snaga obično sastoje iz tri ćelije, o čemu će kasnije biti više govora.


Fig. 1. Typical main circuit diagram of Diode Supply Unit, half-controlled thyristor-diode rectifier

Fig. 2. Typical power circuits of six-pulse connection of a Diode Supply Unit (DSU) i.e. diode-thyristor rectifier module. Main supply is from one two-winding three-phase power transformer.

Sl. 2. Tipična šema veze šest-impulsnog diodno-tiristorskog ispravljačkog modula. Ove ispravljače jedinice mogu biti sa jednim, dva ili više diodnih ispravljačkih modula.

Napajanje se vrši iz jednog srednjenaponskog trofaznog dvonamotajnog transformatora.

Fig. 3. Typical power circuits od twelve-pulse diode –thyristor rectifier module connection diagram.

The main supply is from a MV three-winding three-phase power transformer. The secondary winding consist two windings, one in star connected and other in delta connection.

The twelve-pulse connection is used if the harmonics distortion needs to be reduced effectively. The twelve-pulse connection eliminates the fifth and seventh harmonics remarkably decreasing the conductive emissions.

Sl. 3. Tipična šema povezivanja dvanaest-impulsnog diodno-tiristorskog ispravljačkog modula. Ove ispravljačke jedinice mogu biti sa jednim, dva, tri… 12-impulsnih ispravljačka modula. Napajanje se vrši iz jednog konvertorskog tronamotajnog transformatora. Sekundar transfomatora ima dva namotaja od kojih je jedan spojen u zvezdu a drugi u trougao.

12-impuslni ispravljači se koriste u primenama gde je potrebno efikasno eliminisati harmonijske elemente u frekvenciji. Obično eliminišu 5-ti I 7-mi harmonik.

Fig. 4.a. Single-line circuit diagram of one drive diode supply (DS) for drive motors supplying. DC buses for supply of inverter (Fig. 4.b) and (optionally) braking chopper/resistive unit (Fig. 4.c.).

Sl.4.a. Jednoplolna šema sa jednom diodno-tiristoriskom napajačkom ispravljačkom jedinicom. Sa jednosmernih sabirnica napajaju se invertorski elektromotorni pogoni. Jedan takav je prikazan na Sl. 4.b. i na Sl. 4b.1 koji radi preko dve invertorske jedinice u paraleli a koji ima i čopersko/otporničku jedinicu za dinamičko kočenje motora na Sl. 4c.

Fig. 4a.1. Thyristor-diode supply unit with two modules and common DC busses for inverter supplying.

Sl. 4.a1. Ispravljačko-napajačka jedinice sa dva diodno-tiristorska modula sa zajedničkim jednosmernim šinama snage za napajanje invertora.

Fig. 5.b. Typical single line circuit diagram of a inverter drive of one asynchronous electric motor, per example; 690 VDC/3×690 VAC. The 400 VAC is power voltage for supplying a cooling fan of the unit.

Sl.5. b. Tipična jednopolna šema  invertorskog pogona jednog asinhronog elektro motora npr. 690 VDC/3×690 VAC. Napon 400 VAC iz posebnog dela postrojenja za napajanje ventilatorske jedinice koja hladi invertor od prekomernog zagrevanja.

Sl. 5.b1. Tipična jednopolna šema invertorskog pogona jednog asinhoronog elektro motora npr. 690 VDC/3×690 VAC velike snage, gde su upotrebljena dva invertora u paralelnom radu.

Fig. 5.b1. Typical single line diagram of invertor drive for one asynchronous electric motor, per expampe; 69 VDC/3×690 VAC high power. Used two inverters in parallel connection.

Sl. 5. c. Tipična jednopolna šema čoperske i otporničke jedinice za dinamičko kočenje trofaznog asinhronog elektromotora koji radi sa frekventim regulatorima većih i velikih snaga.

Fig. 5.c. Typical single line diagram of one chopper/resistor unit for dynamic braking of one asynchronous three phase electric motor.

Sl.6a. Tipična jednopolna šema ulazne NN ćelije FR postrojenja iz koje se napaja jednan 6-impulsni diodno-tiristorski ispravljački modul. Kao što se vidi sa šeme VN transformator transformiše napon, primera radi, sa 35 kV na trofazni naizmenični napon 690 V. Sekundarni namotaj je zaštićen ulaznim NN visokoučinskim osiguračima sa koji se napon void na NN ulaznu ćeliju. Ova ćelija  se sastoji od priključnih kablovskih stezaljki, NN ručnog prekidača i rastavljača za uzemljenje. Sa prekidača napon se vodi ka ispravljačkoj ćeliji frekeventnog regulatora što se vidi na Sl. 6a. Sa kablovskih stezaljki odvaja se trofazni napon koji je neophodan za upravljačku ćeliju frekventnog regulatora.

Fig. 6a. Tyical single line diagram of one incoming cubicle for one larger FR drive switchgear. From circuit is everything clear and understandable.

This cubicle consists:

  • Input power cable connection (L1…L3) and PE busbars

. Switch-disconnector (one-module DSU) or air circuit breaker (two to five module DSU)

  • Grounding switch (optional for units with switch-disconnector)

Sl. 6.b. Tipična jednopolna šema jedne upravljačke ćelije kod ispravljačkog postrojenja za frekventne regulatore.  Glavne komponente su Q1/F1 prekidač-osigurač (potpuno odvajanje osigurača od napona), transformator T1 za pomoćni napon 230 ili 115 VAC, kompletna upravljačka oprema i kontrolna table diodno-tiristorskog ispravljača.

Fig. 6.b. Typical single line diagram of one auxiliary control cubicle for one larger FR drive switchgear with main components.

Sl. 6.c. Tipična jednopolna šema jednog šest-impulsnog diodno-tiristorskog ispravljačkog razvodnog ormana koji se sastoji iz tri ćelije.  Napajanje naizmeničnim naponom je preko posebnog transformatora snage predviđenog za ovu namenu sa odgovarajućom spojnom grupom.

Ćelija (A) je upravljačka ćelija.

Ćelija (B) je ulazna ćelija napona snage sa konvertorskog transformatora. Prekidač za uzemljenje je opcioni.

Ćelija (C) je ćelija diodno-tiristorskog ispravljaća. Sastoji se od dva ispravljačka modula u paralelnoj  vezi  koji imaju svoje ulaze za trofazno napajanje osiguranog NN visokoučinski osiguračima. U okviru ispravljačkog sklopa su glavne komponente prekidači i linijske prigušnice. Na izalzima iz ispravljača su topljivi osigurači. Jednosmerni napon se utičnim spojevima vodi direktno na jednosmerne sabirnice snage sa kojih se napajaju elektromotori preko invertora. 

Fig. 6.c. Typical single line diagram of a six-pulse switchgear unit for supplying inverters with DC power voltage with one rectifier module.

The switchgear consists:

A  Auxiliary control cubicle – the main devices are

  • Auxiliary circuit switch-fuse
  • DSU operating switch, emergency stop button, reset button, meters (composition vary)
  • Auxiliary voltage transformer (230 or 115 VAC)
  • Auxiliary circuit relays, circuit breakers, etc.
  • Diode Supply Unit control board

B Incoming cubicle – the main devices are:

  • 6. Input power cable connection (L1…L3) and PE busbars
  • Switch-disconnector (one-module DSU) or air circuit breaker (two to five module DSU)
  • Grounding switch (optional for units with switch-disconnector)

C Supply module cubicle – the main devices are:

  • AC fuses
  • Supply module including:
  • main contactors (not in units equipped with air circuit breaker)
  • quick connector (behind module)
  • DC fuses

Sl. 7a. Tipična jednopolna seme ulazne (dovodne) NN ćeije iz koje se napajaju dva spojena 6-impulsna diodno-tiristorska ispravljačka modula. Za jedinice većih snaga sastav je skoro uvek isti s tom razlikom što je veći broj paralelno spojenih ispravljačkih modula.

Fig. 7a. Typical single-line circuit diagram of two-module, six-pulse diode supply units.

For larger units the composition is equivalent, except for number of parallel supply modules.

Sl. 7b. Tipična jednopolna šema razvodnog ormana ispravljače jedinice sa dva šest-impulsna diodno-tiristorska modula velike snage za elektromotorne pogone sa frekventnom regulacijom.

Napajanje naizmeničnim naponom vrši iz posebnog dvonamotajnog transformatora snage za ovu namenu.

Za jedinice većih snaga sastav je isti s tom razlikom da je veći broj paralelno spojenih diodno-tiristorskih ispravljačkih modula.

Fig. 7.b. Typical single line circuit diagram of one switchgear with two-module, six-pulse diode-thyrisitor modules.

Supplying with AC voltage is from power transformer with corresponding connection group of transformer windings.

For larger units the somposition is equivalent, except for number of parallel connected supply modules.

A  Auxiliary control cubicle – the main devices are

–  Auxiliary circuit switch-fuse

–  DSU operating switch, emergency stop button, reset button, meters (composition vary)

–  Auxiliary voltage transformer (230 or 115 VAC)

–  Auxiliary circuit relays, circuit breakers, etc.

–  Diode Supply Unit control board (DSSB)

B Incoming cubicle

– Input power cable connection (L1…L3) and PE busbars

– Switch-disconnector (one-module DSU) or air circuit breaker (two to five module DSU)

–  Grounding switch (optional for units with switch-disconnector)

C Supply module cubicle

–  AC fuses

–  Supply module including:

 – main contactors (not in units equipped with air circuit breaker)

– quick connector (behind module)

– DC fuses

Sl. 8a. Tipična jednopolna šema ulazne-dovone ćelije razvodnog ormana jednog postrojenja frekventnih regulatora iz koje se napajaju dva 12-impulsna diodno-tiristorska ispravljačka mogula u paralelnoj vezi. U ovoj ćeliji primenjen je prekidač rastavljač.

Srednjenaponski transformator je tronamotajni sa primarnim namotaj u trouglu i dva sekundara, jedan u spoju zvezde a drugi u spoju trougla.

Fig. 8a.Typical single-line circuit diagram of LV incoming cubicle in one FR drive switchgear.

For supplying with AC voltage is used a special medium voltage three-winding transformer.

2. The twelve-pulse supply units

2. Dvanaest-impulsne napajačke jedinice

Sl. 8b.  Tipična jednopolna šema jednog razvodnog ormana elektromotorne pogone sa frekventim regulatorima koji se sastoji iz tri ćelie: (A) Upravljačko-merno-zaštitne ćelije,

(B) Ulazne-napojne ćelije i

(C) Diodno-tiristorske ispravljačke ćelije koja se sastoji iz dva paralelno spojena 12-impulsna ispravljačka modula.

Kod ovog romana primenjen je prekidač-rastavljač ili rastavljač snage Q1.

Ispravljački moduli su od kratkog spoja zaštićeni NN osiguračima snage koji su ispred samih modula.

U svakom ispravljačkom modulu su primenjeni primenjeni kontaktori i trofazne lininjske prigućnice za smanjenje uticaja viših haromonika.

Napajanje trofaznim naizmeničnim naponom vrši se preko srednjenaponskog transformatora snage sa tri namotaja za ovu namenu. Jedan od sekundara tansformatora je u spoju zvezde a drugi u spoju trougao. Zaštita od kratkog spoja je izvedene NN visokoučinskim osiguračima.

Na izlazu jednosmernog napona iz ispravljača su instalirani visokoučinski topljivi osigurači za zaštitu od kratkog spoja.  Ispravljačke jedinice su u paraleli tako da se jednosmerni napon vodi kablovskim vezama ili direktno na sabirnice jednosmernog napona sa kojih se napajaju invertori za elektromotorne pogone.

Fig. 8b. Typical single-line circuit diagram of switchgear with two-module, twelve-pulse diode-thyristor modules.

For supplying with AC main voltage is used one medium voltage three-phase transformer with three windings. One of secondary winding is connected in star and other in triangle. The secondary side of transforem is equipped with high capacity fuses aginst short circuit.

The switchgear is equipped  with a switch-disconnector, with contactors and with line reactors inside the modules.

DC power voltage from power supply going via cable connections or directly on the DC buses for supplying the inverters, chopper and resistors units for motor drives.

Sl. 9.a. Single-line circuit diagram with single diode supply unit (DSU) with circuit breaker Q1, contactor K1 and one three-phase line reactor L1.

Sl. 9.a. Jednopolna šema veze jednog diodnog napajačkog modula sa prekidačem Q1, kontaktorom K1 i jednom trofaznom linijskom prigušnicom.

Fig. 10. Single-line circuit diagram with double diode supply units (DSU) and  with circuit breaker Q1, contactors K1 and K2, and two three-phase line reactors L1 and L2.

Sl. 10. Jednopolna šema veze sa dva diodna napajačka modula sa prekidačem Q1, kontaktorima K1 i K2 i sa dve trofazne linijske prigušnice L1 i L2.   

Input power connection, cabinet-installed unit equipped with input fuses connection diagrams

  1. SIX-PULSE, TWO DIODE SUPPLY UNIT MODULES IN PARALLEL CONNECTION

GENERAL DIAGRAMS OF INPUT CONNECTIONS OF CABINET-INSTALLED DIODE SUPPLY UNIT (DSU) EQUIPPED WITH INPUT LOW-VOLTAGE FUSES IN THE SECONDARY SIDE OF MAIN MEDIUM VOLTAGE TRANSFORMER FOR FREQUENCY REGULATORS

Opšta šema priključka naizmeničnog napona snage sa sekundara transformatora na orman sa paralelno spojenim ispravljačkim modulima koji se sastoji iz ulazne ćelije sa prekidačkim, kočionim, rastavljačkim i uzemljivačkim uređajima i ćelije sa napajačkim diodnim modulo/-ima.

Treba napomenuti da topljivi osigurači napajačkog naizmeničnog napona sa transformatora snage nisu neophodni ako je priključna ulazna linija konstruisana i izvedena od sabirnica koje izdržavaju struju kratkog spoja transformatora.

Need noted that fuses are not need to be equipped if the input power line is constructed of busbars that withstand the transformer short circuit current.

Takođe, treba napomenuti, da kontaktori u diodnim ispravljačkim modulima (DSU)  nisu neophodni, kada je ulazna ćelija opremljena niskonaponskim vazdušnim prekidačem snage.

Also need noted that there are no needs for contactors inside the diode supply module/-s  (DSU) when the incoming cubicle is equipped with air circuit breaker.

 Sl. 11.a. Blok šema povezivanja napajačkog ormana sa šest-impulsnim diodnim modulima u paralelnom spoju na transformator snage sa niskonaponskim osiguračima snage na sekundarnoj strani transformatora.

Fig. 11.b. Represents a typical connection diagram for six-pulse  of two diode supply modules connected in parallel. Supply modules are in separated cubicle.

 Sl. 11.b. Tipična šema povezivanja napajačkog ormana sa šest-impulsnim ispravljačkim modulima u parallelnoj vezi preko jedne ulazne ćelije  na dvonamotajni transformator snage sa niskonaponskim osigurčima snage u sekundaru transformatora. Ulazi modula su takođe osigurani topljivim osiguračima.

  1. TWELVE-PULSE, TWO DIODE SUPPLY UNIT MODULES IN PARALLEL CONNECTION

Za ovu vezu važe napomena za NN osigurače i kontaktora kao i za prethodnu.

Ovde nije dozvoljeno premošćavanje faznih provodnika tj. vezivanje 1L1 sa 2L1, 1L2 sa 2L2 i 1L3 sa 2L3.  Postoje dve odvojene ulazne ćelije, jedna za priključnice 1L1, 1L2 i 1L3 i druga ćelija za 2L1, 2L2, i 2L3 i one su opremljene

  1.  sa NN vazdušnim prekidačima,
  2. pogon je prilagođen nekim drugim propisima,
  3. ili je ulazna ćelija projektovana za priključivanje pomoću sabirnica.

Kod kablovskog povezivanja proizvođač obično daje striktna uputstva kako se  te veze moraju izvesti. 

Here is not allowed bridging e.g. connecting 1L1 to 2L1, 1L2 to 2L2 and 1L3 to

L3. There are two separate incoming cubicles, one for 1L1, 1L2 i 1L3 and the other cubicle for 2L1, 2L2, i 2L3 if:

  1. the unit is equipped with air circuit breakers,
  2. the drive is approved by other regulations, or
  3. the incoming cubicle is designed for a busbar connection.

For cable connections, the manufacturers give detailed instructions for connection.

Sl. 12.a. Tipična šema priključivanja napajačkog ormana sa dvanaest-impulsnim diodnim modulima – dva modula vezana parallelno preko dve ulazne ćelije, na tronamotajni transformator snage sa niskonaponskim osiguračima snage na sekundarnoj strani transformatora. Moduli su takođe osigurani sa topljivim osiguračima snage.

Osgirači za zaštitu napojnih kablova i diodnih ispravljačkih modula po pravilu su definisani od strane porizvođača i moraju se poštovati njihova tehnička uputstva.

GENERAL DIAGRAMS OF INPUT CONNECTIONS OF CABINET-INSTALLED DIODE SUPPLY UNIT (DSU) EQUIPPED WITH NO INPUT LOW-VOLTAGE FUSES IN THE SECONDARY SIDE OF MAIN MADIUM VOLTAGE TRANSFORMER FOR FREQUENCY REGULATORS

Opšta šema priključka naizmeničnog napona snage sa sekundara transformatora bez osigurača u sekundaru transformatora na orman sa frekventnim regulatorom koji se sastoji iz ulazne ćelije sa prekidačkim, kočionim, rastavljačkim i uzemljivačkim uređajima i ćelije sa napajačkim diodnim modulo/-ima.

  1.  SIX-PULSE CONNECTION DIAGRAM WITH TWO DIODE SUPPLY UNIT MODULES IN PARALLEL CONNECTION WITHOUT INPUT FUSES

Fig. 13.  SIX-PULSE CONNECTION DIAGRAM OF TWO DIODE SUPPLY UNITS MODULES IN PARALLEL CONNECTION WITHOUT INPUT FUSES

Sl. 13. Šema priključivanja na mrežu invertorskog napajačkog ormana sa dve paralelno vezane šest-impulsne diodne napajačke jedinice bez osigurača na ulazima.  

Osgirači za zaštitu napojnih kablova i diodnih ispravljačkih modula po pravilu su definisani od strane porizvođača i moraju se poštovati njihova tehnička uputstva.

Fuses for protecting the recommended input cables and DSU modules are given in chapter

Vidi i donji opis na sl. 14.

See description in Fig. 14.

Fig. 14. TWELVE-PULSE CONNECTION DIAGRAM WITH TWO DIODE SUPPLY MODULES IN PARALLEL

Sl. 14. Šema priključivanja na mrežu 12-impulsne grupe od dva diodno-tiristorska ispravljačka modula u paralelnoj vezi bez osigurača na ulazima u modulske jedinice.

3. Tipična blok šema priključka naizmeničnog napona snage sa transformatora na orman sa frekventnim regulatorima koji se sastoji iz ulazne ćelije sa prekidačkim, kočionim, prekidačkim i uzemljivačkim uređajima i ćelije sa napajačkim diodnim modulom.

Treba napomenuti da topljivi osigurači napajačkog naizmeničnog napona sa konvertorskog transformatora nisu neophodni ako je priključna ulazna linija konstruisana I izvedena od sabirnica  koje izdržavaju struju kratkog spoja transformatora.

Takođe, kontaktori u diodnim ispravljačkim modulima nisu potrebni, kada je ulazna ćelija opremljena niskonaponskim vazdušnim prekidačem snage.

Sve ovo kao i ostali elementi se definišu pri projektovanju elektromotornog pogona i naručivanju opreme.

U praksi postoje različite kombinacije o kojima ću kasnije govoriti na primerima šema iz prakse kao i šema iz vodećih proizvođača FR pogona velikih snaga, prilagođenih za ovu svrhu. 

Sl. 15. Tipična blok šema priključka naizmeničnog napona snage sa transformatora na orman sa frekventnim regulatorima koji se sastoji iz ulazne ćelije sa prekidačkim, kočionim, prekidačkim i uzemljivačkim uređajima i ćelije sa napajačkim diodnim modulom.

Fig. 15. Typical block scheme from AC power voltage to DC power voltage for supplying inverters.

To writing this article author is used technical documentation of various manufacturers and from practical solutions from projects.

About the Author

-

Leave a comment

XHTML: You can use these html tags: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <s> <strike> <strong>

FR Drives – Practical Electrical Schemes