Poprawa jakości energii i niezawodności. zasilania

Transkrypt

1 Poprawa jakości energii i niezawodności zasilania Technologia Technologia Technologia Technologia Technologia Technologia Technologia Technologia Poziom zniekształceń napięcia w sieciach energetycznych, jak również gwarantowane zasilanie newralgicznych odbiorników energii elektrycznej należą do istotnych problemów elektroenergetyki. W wielu przypadkach mogą one być rozwiązane poprzez zastosowanie nowoczesnych urządzeń energoelektronicznych, jak np. energetyczne filtry aktywne, zasilacze o zwiększonych parametrach zwarciowych czy szybkie łączniki bezstykowe. Niżej zostaną opisane przykładowe urządzenia, służące do poprawy jakości energii i niezawodności zasilania. 1. Energetyczne filtry aktywne Najbardziej efektywną metodą kompensacji odkształceń prądu generowanego przez odbiornik nieliniowy jest filtr aktywny, dołączany równolegle do odbiornika. Filtr odpowiednio pobierając i oddając energię kompensuje nieliniowy charakter odbiornika, czego efektem jest pobór z sieci zasilającej prądu o przebiegu sinusoidalnym. Filtr może pracować w trybie kompensacji prądu, lub w trybie kompensacji zarówno prądu jaki i mocy biernej. Przykładowe przebiegi prądów są przedstawione na rys. 1. Należy zauważyć, że amplituda prądu odbiornika nieliniowego (przebieg 1) wynosi ok. 45 A a prądu pobieranego z sieci (przebieg 3) po zastosowaniu filtra ok. 15 A. Filtry mogą współpracować z odbiornikami zasilanymi z sieci SN. Sposoby dołączania filtra aktywnego są przedstawione na rys. 2. Filtr może być dołączony bezpośrednio do odbiornika, lub poprzez własny transformator do sieci SN, równolegle z transformatorem zasilającym odbiornik. Wariant bezpośredni jest korzystniejszy, gdyż obciążenie transformatora ma wtedy charakter sinusoidalny, co wpływa na zmniejszenie w nim strat od harmonicznych prądu. Straty w transformatorze spowodowane obecnością harmonicznych w prądzie obciążenia są określone w amerykańskim standardzie UL1561 przy pomocy wzoru: Dr Andrzej Baranecki (1) 48

2 Rys. 1. Przykładowe przebiegi prądów po zastosowaniu filtra aktywnego Rys. 2. Sposoby dołączania filtra do odbiorników nieliniowych zasilanych z sieci SN

3 a) b) Rys. 3. Przebiegi prądu obciążenia i prądu filtra na rysunku b) fragment przebiegów w zmienionej skali czasowej (50µs/dz) Rys. 4. Przebiegi prądów oraz wyniki pomiarów bez filtra

4 Rys. 5. Przebiegi prądów oraz wyniki pomiarów z włączonym filtrem Rys. 6. Przebiegi napięć oraz wyniki pomiarów bez filtra Rys. 7. Przebiegi napięć oraz wyniki pomiarów z włączonym filtrem

5 Rys. 8. Filtr o dużej stromości prądu kompensacji

6 Rys. 9. Przebiegi prądów o różnych wartościach współczynnika Crest Factor Rys. 10. Przebieg napięcia wyjściowego (górny) oraz prądu linii A i B podzas przełączenia automatycznego

7 Rys. 11. Schemat łącznika 1-fazowego (dwupolowego) Rys. 12. Panel monitorowania i sterowania łącznika STS

8 gdzie h numer harmonicznej I h wartość prądu h-tej harmonicznej I wartość prądu obciążenia Mnożąc straty w transformatorze (przy obciążeniu liniowym) przez uzyskaną wartość współczynnika K uzyskamy rzeczywiste straty, występujące przy analizowanym przebiegu nieliniowym. Mogą być one nawet kilkanaście lub kilkadziesiąt razy większe od strat przy obciążeniu liniowym. W ramach projektu celowego 6ZR8 2007C/06962 (przy współpracy firmy MEDCOM z Instytutem Sterowania i Elektroniki Przemysłowej PW) w 2010 r. został opracowany bardzo nowoczesny filtr aktywny o dużej stromości prądu kompensacji (rys. 3). Przy mocy kompensacji 200 kvar stromość prądu kompensacji może osiągać wartość 2 ka/ms, natomiast filtr może współpracować (bez transformatora) z odbiornikiem zasilanym napięciem do 3x390 V. Przy równoległej współpracy dwóch filtrów można uzyskać stromość prądu kompensacji 4 ka/ms. Na rys. 4 7 są przedstawione zarejestrowane wyniki pomiarów w obwodzie zasilania odbiornika nieliniowego bez filtra, oraz z włączonym filtrem o mocy kompensacji 200 kvar. Wyniki wykazują, że po włączeniu filtra nastąpiło obniżenie zniekształceń prądu i napięcia w sieci zasilającej odbiornik (średnie wartości dla faz): THDi przed włączeniem 24,5 po włączeniu 5,72 THDu przed włączeniem 9,49 po włączeniu 3,60 Na targach ENERGETAB 2010 przedstawiony wyżej filtr (rys. 8), uzyskał nagrodę PSE Operator za najlepszy produkt w dziedzinie jakości energii elektrycznej (zdjęcie statuetki PSE Operator w słowie wstępnym od Redakcji E-WiR ). Skompensowanie prądu pobieranego przez odbiorniki nieliniowe (zwłaszcza dużej mocy) zapewnia również zauważalne obniżenie strat w sieci zasilającej. 2. Zasilacze o dużych prądach zwarciowych Zasilanie odbiorników nieliniowych często wymusza przewymiarowanie zasilaczy w układach gwarantowanego zasilania. Związane jest to z koniecznością zapewnienia przez zasilacz takiego prądu wyjściowego, żeby jego wartość odpowiadała maksimum prądu odbiornika. Przykładowe przebiegi prądów o różnych wartościach współczynnika Crest Factor, określającego ile razy wartość maksymalna jest większa od wartości skutecznej (10 A), są przedstawione na rys. 9. Standardowo do systemów zasilania gwarantowanego są oferowane zasilacze o CF=3. W firmie MEDCOM zostały opracowane i wdrożone do produkcji zasilacze charakteryzujące się wartością CF=8. Przy prądzie znamionowym np. 100 A, szczytowa wartość prądu obciążenia może dochodzić do 800 A, ale jego wartość skuteczna nie może przekroczyć wartości znamionowej prądu zasilacza. Zasilacze te zapewniają równocześnie możliwość dużego przeciążenia chwilowego (np. podczas rozruchu zasilanych urządzeń lub zwarcia w zasilanym obwodzie), które może osiągać 600% In w czasie do 10 s. Dzięki dużemu prądowi zwarciowemu jest realizowane bardzo szybkie odłączenie obwodu, w których wystąpiło zwarcie zapewnia to bezprzerwową pracę pozostałych obwodów dołączonych do zasilacza. 3. Szybkie łączniki bezstykowe STS Łączniki typu static transfer switch są przeznaczone do bezstykowego przełączania jedno- lub trójfazowych obwodów napięcia przemiennego (230 V, 3 x 400 V, 50 Hz). W odróżnieniu od klasycznej automatyki (SZR Samoczynne Załączanie Rezerwy) przełączenie następuje w bardzo krótkim czasie (poniżej 4 ms), co pozwala na zachowanie ciągłości pracy nawet najczulszych odbiorników. W przypadku, gdy napięcia linii podstawowej i rezerwowej są zsynchronizowane, przełączenie ręczne (lokalne lub nr 1 (7)

9 zdalne) następuje w czasie nie większym niż 200 μs. Podstawowym miejscem zastosowania są obwody sterowania i automatyki energetycznej, systemy zasilania komputerów, sale operacyjne w szpitalach i inne odbiorniki wrażliwe na chwilowe zaniki napięcia zasilającego. Duża przeciążalność łączników typu static switch pozwala na szybkie usuwanie zwarć w obwodach wykorzystujących falownik jako podstawowe źródło zasilania, a wbudowane układy przeciwprzepięciowe dodatkowo zabezpieczają odbiorniki przed uszkodzeniem. Urządzenie 1-fazowe zawiera dwa obwody z odwrotnie-równoległymi łącznikami tyrystorowymi wyposażone w układy ochrony stromościowej. Włączenie tyrystorów następuje przy zerowej wartości napięcia lub prądu wejściowego. Jeden z torów zasilania (linia wybrana jako podstawowa) jest stale dołączony do wyjścia urządzenia. W przypadku zmiany napięcia w linii podstawowej poniżej lub powyżej 16 proc. następuje automatyczne przełączenie na linię rezerwową pod warunkiem, że wartość napięcia rezerwowego znajduje się w dopuszczalnym zakresie. Jeżeli napięcie w linii podstawowej powróci do normy, następuje automatyczny powrót do zasilania z linii podstawowej. Istnieje możliwość ustawienia automatyki urządzenia tak, żeby po przełączeniu na linię rezerwową zasilanie nie powracało na linię podstawową do czasu wystąpienia zakłócenia w linii rezerwowej. Łączniki 3-fazowe są dostępne jako trójpolowe oraz czteropolowe (z przełączanym obwodem N). Prądy znamionowe zawierają się w zakresie 63 A do 1000 A, przy przeciążalności prądowej (1500% / 20 ms). Technologia Technologia Technologia Technologia Technologia Technologia Technologia Technologia Panel łącznika STS umożliwia: wybór rodzaju pracy (automatyczna / ręczna), włączenie / wyłączenie automatycznego powrotu na linię preferowaną, wybór linii preferowanej, informując jednocześnie o stanie obydwu linii oraz zdarzeniach alarmowych. Dr inż. Andrzej Baranecki, wieloletni pracownik naukowo-dydaktyczny (od 1969 r.) w Instytucie Sterowania i Elektroniki Przemysłowej Politechniki Warszawskiej. Od 1995 r. dyrektor ds. rozwoju w firmie MEDCOM. Autor i współautor kilkudziesięciu publikacji na tematy związane z elektroniką przemysłową. Łącznik jest wyposażony w obwody obejściowe, umożliwiające wykonywanie łączeń serwisowych. Sterowanie podczas normalnej pracy może być wykonywane zdalnie lub lokalnie, przy wykorzystaniu panelu (rys. 12). 56