S t r o n a 1 Prezentacja wyników z realizacji projektu instalacji filtru aktywnego wyższych harmonicznych prądu Xinus 2MVA i kompensatora mocy biernej w systemie zasilania maszyny wyciągowej po stronie nn. obciążenia, głębokie zapady napięcia dochodzące 1% oraz dużą wrażliwością instalacji na ripple pochodzące z kluczowania tranzystorów filtru to główne problemy z jakimi przyszło nam się zmierzyć. Niewątpliwie, projekt ten był jedną z najciekawszych realizacji z jaką przyszło nam się zmierzyć. Wstęp Już od ponad pięciu lat firma Elmech zajmuje się tematyką jakości energii. Opracowaliśmy przy współpracy z polskimi naukowcami równoległy filtr aktywny o nazwie Xinus. Jego zadaniem jest filtracja wyższych harmonicznych prądów wprowadzanych do sieci przez odbiory nieliniowe. Zastosowany w nim innowacyjny algorytm sterujący, umożliwiający uzyskanie granicznej dynamiki filtracji harmonicznych, stawiaja filtr Xinus w czołówce filtrów w skali świata. Cechy użytkowe filtru Xinus świetnie sprawdzają się w najtrudniejszych aplikacjach przemysłowych takich jak: współpraca z generatorem napięcia, przekształtnikami tyrystorowymi i diodowymi dużych mocy, nieliniowymi odbiorami szybkozmiennymi oraz w systemach zasilających aparaturę pomiarową i medyczną. Filtr Xinus jest również laureatem kilku nagród i wyróżnień z czego najcenniejszymi są Złoty Medal Prezesa SEP oraz Złoty Medal Targów Poznańskich. Instalacja równoległego filtru aktywnego Xinus i baterii kondensatorów w systemie zasilania maszyny wyciągowej jest pierwszym tego typu projektem realizowanym w Polsce. Rysunek 1. Napęd modernizowanej maszyny wyciągowej. Skala trudności i odpowiedzialności projektu była bardzo duża. Wynikało to z uwarunkowań technicznych i ze względu na charakter odbioru. Ponadto projekt był prowadzony pod nadzorem KOMAG-u, co wymagało realizacji rozległych analiz wpływu urządzeń na modernizowaną sieć. Z punktu widzenia technicznego było to skoncentrowane zestawienie negatywnych cech odbioru. Szybkozmienność obciążenia, duży współczynnik szczytu prądu wraz z b. wysoką stromością narastania prądów Rysunek 2. Filtr aktywny Xinus- ½ filtru. Celem niniejszego artykułu jest omówienie przebiegu realizacji projektu z uwzględnieniem zagadnień jakości energii, sposobu doboru filtru, kluczowych jego parametrów oraz przedstawienie wyników z prób filtru Xinus na maszynie wyciągowej. Jakość energii Zanim jednak przejdziemy do opisu aplikacji chciałbym przez chwilę zatrzymać się na zagadnieniach jakości energii z punktu widzenia normy PN-EN 516, norm grupy PN-EN 61-( )-( ) oraz dziennika ustaw nr Dz. U. Nr 93 poz 623 z 4 maja 27, znanego jako rozporządzenie przyłączeniowe. Norma PN-EN 516 jest jedną z najważniejszych norm, gdyż definiuje wszystkie jakościowe parametry napięcia oraz podaje sposób ich pomiaru. Czyni z energii towar na równi z innymi (tabela nr 4), którego cechy możemy mierzyć i porównywać. Norma ta obowiązuje w większości krajów europejskich i jest traktowana jako standard minimum. W niektórych krajach jak np. w Norwegii obowiązują bardziej zaostrzone kryteria jakościowe 1. Drugim ważnym dokumentem jest wspomniane rozporządzenie przyłączeniowe, które w części dotyczącej parametrów napięcia opiera się na wspomnianej normie, a jego celem jest określenie warunków jakościowych jakie musi spełnić podmiot przyłączany do sieci ze względu na możliwość zakłócenia parametrów napięcia sieci. Dotyczy ono odbiorców jak i producentów energii. Trzecią grupę stanowią normy grupy PN-EN 61, które stawiają wymagania dla odbiorów małej mocy. Określają poziomy zakłóceń wprowadzanych do sieci zasilającej, wyznaczają sposoby ich badania 1 WWW.NVE.NO
S t r o n a 2 oraz określają poziomy odporności na zakłócenia pochodzące z sieci. Wskazane dokumenty tworzą pewną, stosunkowo spójną logikę, w której odbiory różnej mocy są traktowane stosownie do poziomu wiedzy technicznej i skali wywoływanego przez nie problemu z jakością energii. Inaczej są traktowane urządzenia małej mocy, których jednostkowy negatywny wpływ na sieć zasilającą jest znikomy, ale w swojej skali stanowią znaczne zagrożenie dla jakości energii. Do tej grupy można zaliczyć np.: komputery osobiste, lampy wyładowcze i fluoroscencyjne, napędy małej mocy i inne urządzenia. Dla nich określa się wymagania, których spełnieniem obarcza się wytwórcę, a gwarancją ich spełnienia jest oświadczenie. W tym przypadku, oświadczenia o zgodności z dyrektywami CE. Z drugiej strony mamy do czynienia z odbiorami dużej mocy, w których ograniczenia techniczne lub ekonomiczne nie pozwalają na to aby spełniały one tak restrykcyjne wymagania jak odbiory małych mocy. Jednak w tym przypadku jedyną drogą spełnienia warunków określonych w rozporządzeniu przyłączeniowym jest zapewnienie przez projektanta lub odbiorcę wykonania instalacji zasilającej która spełni postawione warunki przyłączenia. Są również inne powody od wyżej wymienionych norm i ustawy, które zaczęły decydować o wzroście zainteresowania zagadnieniami jakości energii. Najważniejsze to: Rosnąca świadomość odbiorców, tego że energia jest również towarem a pojęcie jakości energii precyzuje jej cechy jako towaru 2. Wzrost liczby i mocy jednostkowej niespokojnych, nieliniowych, niesymetrycznych odbiorników. W następstwie rozwoju technologii elementów półprzewodnikowych dużej mocy, wymaganego wzrostu wydajności i automatyzacji procesów produkcyjnych wszechobecna staje się energoelektronika. Szacuje się, że obecnie w krajach uprzemysłowionych ponad 6% -7% wszystkich odbiorników energii stanowi energoelektronika, Rosnący koszt awarii. W dobie wzrostu efektywności procesów produkcyjnych jakość energii ma wpływ na wielkość produkcji. Przerwy w produkcji są powodem ogromnych strat ekonomicznych. Rozwój metod i środków technicznych służących do pomiaru wskaźników jakości energii. Dzięki temu wskaźniki jakości energii stały się mierzalne, a ich rejestracja pozwala na powiązanie występujących zaburzeń jakości energii ze stanami awaryjnymi urządzeń i przerwami w produkcji. Wysokie koszty inwestycji służących ochronie przed skutkami złej jakości energii. W UE25 pochłaniają one 1,2mld rocznie. 2 prof. Zbigniew Hanzelka - Jakość energii elektrycznej. W cz.1-6 wyczerpująco opisuje większość zagadnień dotyczących poszczególnych zjawisk jakości energii. Ciekawym i wartym odnotowania faktem jest to, że mimo że pojęcia dotyczące jakości energii rozwijały się od samego początku wykorzystania elektryczności, to dopiero we współczesnych nam czasach stały się rzeczywistym problemem. Niewątpliwie głównym winowajcą jest mikroprocesor, który odpowiada za dynamiczny rozwój energoelektroniki. Poza korzyściami jakie energoelektronika przyniosła we współczesnym świecie, jest ona głównym sprawcą naszych problemów. Czas ostatnich dwudziestu lat to czas rozwoju energoelektroniki i czas, w którym większość z nas mogła obserwować wraz z jej rozwojem, rozwój podejścia, problematyki, przyczyn i skutków pogarszającej się jakości energii. W konsekwencji poza wiedzą teoretyczną o zjawiskach pogarszających jakość energii i dzięki upowszechnieniu się w zakładach przemysłowych urządzeń do rejestracji parametrów energii, dysponujemy dzisiaj rozległą wiedzą inżynierską o przyczynach i skutkach oraz o sposobach radzenia sobie z poszczególnymi problemami. Fragment tej wiedzy w mocno zsyntezowanej postaci zawiera Tabela 3. Przedstawia ona zaburzenia napięcia podzielone na cztery podstawowe grupy dotyczące: częstotliwości, amplitudy, kształtu i niesymetrii międzyfazowej. Każda grupa zawiera odpowiadające jej cechy napięcia, których parametry szczegółowo omówione są w normie PN-EN 5 16. Dla każdej grupy podane są najczęstsze przyczyny, skutki i sposoby radzenia sobie z poszczególnymi problemami, choć nie wyczerpują one całej problematyki 2. Harmoniczne 3 napięcia i prądu, niesymetria i moc bierna są jednymi z głównych przyczyn pogarszania się jakości energii i obniżenia sprawności systemu zasilającego: Harmoniczne w prądzie - wpływają na istotny wzrost strat cieplnych w transformatorach, kablach i innych urządzeniach przyłączonych do sieci na skutek prądów wirowych w rdzeniach elementów indukcyjnych oraz wzrostu rezystancji przewodów na skutek zjawiska naskórkowości. Harmoniczne prądu płyną pomiędzy źródłem a odbiorem i na swej drodze na skutek działania impedancji sieci powodują powstawanie odkształceń napięcia, zwanych harmonicznymi napięcia(thdu). Harmoniczne w napięciu w przeciwieństwie do harmonicznych prądu płynących pomiędzy źródłem a odbiorem oddziaływają na całą sieć zasilającą. Cecha ta jest niemile widziana, ponieważ wpływa negatywnie na wszystkie przyłączone do sieci odbiory. Powoduje to liczne konsekwencje w postaci przegrzewania się elementów urządzeń, przepalania bezpieczników, 3 Jak wiemy, harmoniczne to przebiegi sinusoidalne o różnych częstotliwościach, amplitudach i na ogół są przesunięte względem siebie fazowo. Ich podział na harmoniczne, interharmoniczne i subharmoniczne wynika z częstotliwości ich oscylacji. Wiemy również, że głównymi źródłami harmonicznych prądów są odbiory nazywane nieliniowymi z tego powodu, że pobierają prąd o przebiegu odkształconym od sinusoidy.
S t r o n a 3 zadziałanie zabezpieczeń nadprądowych, zakłócenia pracy urządzeń mikroprocesorowych i wiele innych, Moc bierna podnosi wartość RMS prądu. Stanowi więc dodatkowe obciążenie transformatora i przewodów oraz w głównej mierze odpowiada za wahania napięcia, które dobrze obrazuje następująca zależność Uo 4 i przedstawia Oscylogram 1, Niesymetria napięcia jest odpowiedzialna za niesymetrię obciążenia w poszczególnych fazach urządzeń trójfazowych. W silnikach elektrycznych asynchronicznych skutkuje niesymetriami momentów napędzających, co objawia się wibracjami prowadzącymi do przyśpieszenia zużycia silnika. W konsekwencji i tak zaobserwujemy to we wzroście strat cieplnych silnika. gowej jest zasilany dwóch prostowników sześciopulsowych, które z kolei zasilane są niskim napięciem poprzez dwa transformator Υ/Δ i Υ /Υ o mocy 2MVA każdy ze wspólnej rozdzielnicy SN (Rysunek 3). Rysunek 3. Schemat blokowy zasilania maszyny wyciągowej z zaznaczonymi punktami wpięcia baterii kondensatorów TSC i filtru aktywnego XINUS. Ze względu na charakter pracy, częste rozruchy i hamowania charakteryzuje się ona dużą zmiennością obciążenia (Oscylogram 2). Oscylogram 1. Wpływ mocy biernej pobieranej przez odbiór niespokojny, na wahania napięcia. Realizacja projektu Celem modernizacji maszyny wyciągowej było skompensowanie mocy biernej do poziomu tgφ=,4 oraz obniżenie odkształceń napięcia po stronie SN do poziomu zgodnego z normą PN-EN 516. Dodatkowe cele to ochrona baterii kondensatorów przed wpływem harmonicznych napięcia oraz obniżenie negatywnego wpływu przekształtnika maszyny wyciągowej na inne urządzenia przyłączone do tej samej sieci zasilającej. Poza technicznymi aspektami, kompensacja mocy biernej i eliminacja harmonicznych prądu mają niebagatelne znaczenie ekonomiczne. Cykl pracy trwa przeciętnie około 11s. Na cykl pracy składają się kolejno: rozruch, jazda ze stałą prędkością, hamowanie i pozycjonowanie klatki. Rozruch, hamowanie i pozycjonowanie to najcięższe momenty pracy maszyny. Stanowią one 7 % całego cyklu pracy. W tym czasie prąd osiąga 2-2,5 krotność prądu średniego. Wahania mocy przekładają się na wahania napięcia o głębokości do 43V (Oscylogram 3). Poziom harmonicznych w prądzie THDI potrafi przekroczyć wartość 3%, zaś poziom harmonicznych w napięciu THDU osiąga wartość nawet 25%. Należy również zwrócić uwagę na widoczne w napięciu głębokie zapady pochodzące od komutacji tyrystorów i bardzo dużą stromość narastania prądu odbioru wynikającą z braku dławików w układzie przekształtnika maszyny wyciągowej Postawione cele same w sobie są proste i precyzyjne. Biorąc jednak pod uwagę charakter odbioru, ich realizacja wymagała poszerzonej analizy pod względem bezpieczeństwa. Oznaczało to konieczność wykonania analizy wpływu pracy baterii kondensatorów i filtru aktywnego Xinus na pracę maszyny wyciągowej. Maszyna wyciągowa jest ciekawym odbiorem. Łączy w sobie wszystkie cechy odbioru nieliniowego i odbioru niespokojnego. Silnik prądu stałego maszyny wycią- 4 ΔU spadek napięcia; Uo napięcie na zaciskach odbiornika; Q moc bierna; S zw- moc zwarciowa obwodu
S t r o n a 4 Timeplot Dran-View 6.8. HASP : 84537496 (2FF44498h) Dran-View 6.8. HASP : 84537496 (2FF44498h) Event Details/Waveforms 3 42 5 2 Volts 41 4 39 V olts A-B V 25 1 A mps A I 38 A -B Vrms (max/min) -25-1 4-5 -2 Amps 3 2 1 12:13:1,52 27-5-18 Friday A-B V 12:13:1,53 12:13:1,54 12:13:1,55 12:13:1,55 A I -3 Event #9 at 27-5-18 12:13:1,58 B-CV Severe Phase Shift Neg 1/4 Cyc A Irms (max/min) kw 5 4 3 2 1 Oscylogram 4. Przebieg napięcia i prądu w jednej fazie, na zasilaniu maszyny wyciągowe po stronie NNj. -1-2 kva kvar 75 5 25 8 7 6 5 4 3 2 1 12:15 27-5-18 Friday A P(kW) (max/min) A S(kVA) (max/min) A QFnd(kVAR) (max/min) 12:2 12:25 12:3 12:35 12:4 12:45 Event #9 at 27-5-18 12:13:1,58 B-CV Severe Phase Shift Neg 1/4 Cyc Oscylogram 2. Przebiegi czasowe U, I, P, Q S zarejestrowane w czasie 34 minut pracy maszyny wyciągowej, widziany w jednej z gałęzi zasilających po stronie nn. Volts Amps kw kva kvar 42 41 4 39 38 5 4 3 2 1 5 4 3 2 1-1 9 8 7 6 5 4 3 2 1 8 7 6 5 4 3 2 1 12:17: 27-5-18 Friday Timeplot Dran-View 6.8. HASP : 84537496 (2FF44498h) A Irms (max/min) A -B Vrms (max/min) A P(kW) (max/min) A S(kVA) (max/min) A QFnd(kVAR) (max/min) A IPeak (max/min) 12:17:3 12:18: 12:18:3 12:19: Event #9 at 27-5-18 12:13:1,58 B-CV Severe Phase Shift Neg 1/4 Cyc Oscylogram 3. Przebiegi czasowe U, I, P, Q S dla pojedynczego cyklu pracy maszyny wyciągowej, rejestrowane w jednej gałęzi po stronie nn. Analiza wykonalności projektu Ze względu na charakter odbioru, jego dużą odpowiedzialność oraz ze względu na brak doświadczeń z podobnymi aplikacjami, realizacja projektu rozpoczęła się od gruntownej analizy symulacyjnej. Miała ona za zadanie analizę możliwości osiągnięcia założonych celów technicznych oraz analizę mogących wystąpić negatywnych interakcji w układzie zasilania maszyny wyciągowej po modernizacji. Szczególny nacisk położono na względy bezpieczeństwa pracy maszyny wyciągowej. W tym celu w środowisku symulacyjnym odtworzony został model kompletnego układu zasilania maszyny wyciągowej z zaimplementowaną baterią kondensatorów TSC i modułem filtru aktywnego Xinus (Rysunek 4). Do symulacji został wykorzystany rzeczywisty algorytm filtru aktywnego Xinus, wstawiony w formie zamkniętego modułu, na schemacie oznaczony symbolem Xinus 1 i 2. W środowisku symulacyjnym moduł ten zachowuje się jak niezależne urządzenie. Dzięki temu mogliśmy przeprowadzić obserwację zachowania się całego systemu zasilania maszyny wyciągowej w różnych warunkach pracy ze szczególnym uwzględnieniem filtru. Rysunek 4. Schemat zastępczy układu zasilania maszyny wyciągowej z idealnymi transformatorami i ich parametrami zastępczymi sprowadzonymi na stronę nn, tj stroną wtórną. Pierwsza symulacja została przeprowadzone z wyłączonym filtrem i baterią kondensatorów. Miała ona na celu stwierdzenie zgodności modelu symulacyjnego z
S t r o n a 5 fazowego napięcia synchronizującego w układzie bez włączonej baterii kondensatorów Rysunek 6a i z włą- Rysunek 6b. Dodatko- czoną baterią kondensatorów wo, Rysunek 6c ilustruje zmiany kąta przesunięcia fazowego napięcia synchronizującego Δφ V(1) - Δφ V(2), jakie zachodzą w linii zasilającej po załączeniu kom- warunkach obciążenia i pensatora przy takich samych sterowania przekształtnika maszyny wyciągowej. Jak widać na Rysunek 6c, włączenie kompensatora powozmiany kąta przesunięcia fa- duje tylko bardzo małe zowego napięcia synchronizującego, w przybliżeniu nie większe niż,65º. a) b) 4 2 Prąd harmonicznej [A] Straty w [W] 1 5 7 11 13 16 Rząd harmonicznej 32 48 Ih Δpcu ΔPfe c) układem rzeczywistym. Kolejno przebadano baterię kondensatorów, filtr aktywny Xinus i oba urządzenia pracujące jednocześnie. Ocenę wyników symulacji przeprowadzono na podstawie analizy przebiegów prądu i napięcia w oznaczonych na rysunku punktach pomiarowych (symbole: A i V). Wyniki potwierdziły zgodność zachowania się układu z oczekiwaniami. Przeprowadzono dodatkową analizę wrażliwości prze- rippli kształtnika i transformatora na oddziaływanie pochodzących z kluczowania tranzystorów filtru. Ana- oddziaływanie liza pokazała wyraźnie negatywne rippli, powodujących istotny wzrost strat cieplnych w transformatorze, spowodowanych zjawiskiem prądów wirowych i efektu naskórkowego (Rysunek 5). Podob- o charakterze ne zjawisko występuje w elementach pojemnościowym. Z dodatkowych obliczeń wynikało, że poważnie zagrożone są gasiki na tyrystorach prze- jest stwier- kształtnika. W związku z tym, prawdziwe dzenie, że obecność rippli wywołuje wzrost zagroże- nia pojawienia się awarii systemu zasilania maszy- ny wyciągowej. Rysunek 5. Obraz strat cieplnych w transformatorze na skutek obec- podstawowej harmo- ności harmonicznych w prądzie z pominięciem nicznej ( ΔPfe - straty w rdzeniu, ΔPcu straty w uzwojeniach trans- Widoczny wyraźny formatora, Ih prąd poszczególnej harmonicznej). wzrost strat w zakresie częstotliwości kluczowania. Przeprowadzono również analizę wpływu baterii kon- densatorów na przesunięcie fazowe napięcia synchronizującego załączanie tyrystorów. Z analizy wyłączono jednak filtr aktywny, gdyż nie wpływa on na harmo- wyznaczyliśmy niczną podstawową (5Hz). Na wstępie wartość przesunięcia fazowego napięcia synchronizuw układzie z wyłą- jącego w zależności od obciążenia czoną baterią kondensatorów. Wynik badania pokazał, że w najgorszym przypadku można się liczyć z przesu- względem napię- nięciem napięcia synchronizującegoo cia na zaciskach przekształtnika nie większym niż Δφ V <3,231º. Jest to mała wartość Δφ V, praktycznie nie wpływająca na poprawność sterowania przekształtni- parametrów kiem i jest porównywalna z rozrzutem dynamicznych tyrystorów (w tym rozrzut czasów koanalizę z włączoną mutacji). Następnie powtórzono baterią kondensatorów, co pozwoliło nam na wyzna- Poniższe wy- czenie wpływu baterii kondensatorów. kresy 3D przedstawiają Δφ V =f(i RE EC, φ), zmianę kąta Rysunek 6. Przesunięcia fazowe napięć VT oraz V 6kV: a) w przypadku odłączonego kompensatorze; b) w przypadku peł- prądu obciążenia, c) zmia- nej kompensacji składowej biernej na przesunięcia po załączeniu kompensatora. Na tej podstawie można odpowiedzialnie stwierdzić, że załączenie kompensatora nie wpłynie na popraw- zasilających maszynę ność działania przekształtników wyciągową. Dobór filtru Dobór urządzenia do aplikacji polega na ocenie zgod- urządzenia z wymaga- ności parametrów technicznych niami aplikacji. Na rynku brak jasnej informacji o waż- filtrów aktywnych, nych parametrach technicznych które pozwoliłyby na porównanie urządzeń. W związ- są najważniejsze ku z tym w tabeli nr 1 przedstawione parametry, decydujące o zdolności filtru do kompen- Pierwsze dwa parametry sacji harmonicznych odbioru. nie wymagają wyjaśnień. Pozostałe są kluczowe dla filtru aktywnego i decydują- ce o jego przydatności technicznej.
S t r o n a 6 Zastanówmy się więc nad ich znaczeniem na przykłanieliniowego (czer- dowym przebiegu prądu odbioru wony) oraz przebieg prądu kompensującego generowanego przez filtr aktywny (czarny) (Rysunek 7). Suma obu prądów daje sinusoidalny przebieg prądu po kompensacji (czerwony przerywany). Podane wyżej w Tabela 1 parametry opisują więc maksima charakteryzujące ten przebieg. 5 1 15 2ms Nazwa parametru U n, f - napięcie i częstotliwość sieci Opis Są to parametry sieci w której pracować może filtr Prąd filtra Prąd po kompensacji Rysunek 7. Przebieg napięcia odbiór nieliniowy, prądu kompensacji. Prad odbioru sieci, prądu pobieranego przez kompensującego i prądu po I max - maksymalny prąd szczytowy filtru Jest to maksymalna amplituda prądu chwilowego jaką potrafi wygenerować filtr aktywny di I max di/dt max i di/dt min maksymalna i minimalna dynamika narastania prądu filtru, podawana w [A/ms] ΔI ripple, p-p ripple to zakłócenia f PWM częstotliwość kluczowania filtru Jest to podstawowy parametr filtru, określający możliwą do uzy- prądu kompen- skania stromość sującego generowanego przez filtr. Decyduje o zdolności filtru do skompensowania odbioru. Ripple są zakłóceniami jakie gene- na skutek kluczo- ruje filtr do sieci wania tranzystorów. Są one bardzo niebezpieczne dla innych urządzeń pracujących w sieci, do której przy- łączony jest filtr. Od częstotliwości kluczowania zależy wysokość rzędu kompenso- wanych harmonicznych Tabela 1. Najważniejsze parametry filtru aktywnego, decydu- jące o przydatności technicznej. I tak, Imax (maksymalny prąd szczytowy) to maksyjaką będzie musiał malna chwilowa wartość prądu wygenerować filtr aktywny zaś di/dt (nazywane dy- filtru do odtwo- namiką filtru) odpowiada za zdolność rzenia kształtu prądu odkształceń(rysunek 8), czyli odpowiada za skuteczność kompensacji harmonicznych prądu odbioru. 5 1 15 2 dt ms Prąd filtra Rysunek 8. Prąd kompensujący generowany przez filtr aktyw- zmienną i zależy od ny. Dynamika filtru jest wartością trzech parametrów, od różnicy napięcia w zasobniku energii którym jest kondensator w filtrze aktywnym i chwilowej wartości napięcia sieci, od wartości induki najważniejsze, od efektyw- cyjności dławika w filtrze ności sterowania(1) 5. Jak widać (Rysunek 9) dynamika może mieć również dwa kierunki działania. W każdej chwili mamy do dyspozycji dodatni zależny od +ΔU i ujemny zależny od ΔU w zależności od tego czy w danej chwili filtr będzie chciał uzupełnić braki prądu względem I RMS czy też zmniejszyć jego wartość chwi- lową. Drugą wartością, od której zależy dynamika jest indukaktywnym. Jak widać ze wzo- cyjność dławika w filtrze ru, jeśli dławik ma dużą indukcyjność to dynamika będzie maleć i odwrotnie. 5 K współczynnik efektywnoś ści sterowania L- indukcyjność dławika U dc napięcie na kondensatorze (magazynie energii filtru) U f,rms napięcie fazowe sieci f PWM częstotliwość kluczowania
S t r o n a 7 Napiecie sieci Prąd filtra di/dtmax filtru di/dtmin filtru di/dt odbioru (wymagane) Prad odbioru Rysunek 9. Dynamika filtru aktywnego. Trzecią wartością we wzorze, jest współczynnik K określający zdolność układu sterowania do wykorzy- poprzednimi stania dynamiki filtru określonej dwoma parametrami. Śmiało można powiedzieć, że jest to najważniejszy parametr, zależny od stopnia zaawan- sowania algorytmu sterującego. 5 1 15 2 ms Rysunek 1. Przebieg dynamiki filtru i dynamiki odbioru. Na rysunku nr 1 przedstawiono zależność pomiędzy dynamiką prądu odbioru, a dynamiką prądu filtru. Miejsca gdzie przebieg dynamiki odbioru przekracza przebieg dynamiki filtru są miejscami, w których bę- Sytuacją dzie występować niedokompensowanie. idealną więc będzie sytuacja, w której dynamika zmian prądu odbioru będzie się mieścić w granicach dostęp- jednak, że nego zakresu dynamiki filtru. Pamiętajmy krótkotrwałe niedokompensowania występujące na skutek obecności wąskich pików w prądzie odbioru nie wpływają znacząco na wynik kompensacji. Z rysunku widać również, że przesunięcie fazowe prądu odbioru może mieć wpływ na chwilową skuteczność kompenjest poziom rippli sacji. Następnym ważnym parametrem wprowadzany do sieci zasilającej przez filtr aktywny. O ich wartości decyduje indukcyjność dławików na wejściu w filtrze aktywnym (2). Z powyższego wzoru widać, że ripple są tym mniejsze im większa jest indukcyjność dławika, przeciwnie do dynamiki. Ważnym jest więc znalezienie kompromisu pomiędzy tymi dwoma wartościamii tak, aby zachować jak naj- ripple przedostają- większą dynamikę i jak najmniejsze ce się do kompensowanej sieci. Nie jest to jednak zadanie łatwe, bo przy satysfakcjonującej nas dynami- W związku z tym, aby zachować stosunkowo wysoką ce wartość rippli będzie duża. dynamikę i niski poziom rippli w sieci, zamyka się je w filtrze i wytraca na rezystorach, obniżając w ten spo- filtru (parowóz). sób znacznie sprawność energetyczną Jest to typowy wybór mniejszego zła. W filtrze aktywnym Xinus opracowana została unikal- dzięki której nie na konstrukcja filtru wejściowego, wytraca się mocy rippli na rezystorze i jednocześnie możliwe jest dowolne kształtowanie dynamiki filtru aktywnego Xinus, stosownie do wymagań odbioru. Jest to ogromna zaleta filtru Xinus na tle innych konmamy do czynienia z dużymi strukcji, zwłaszcza jeśli mocami. Opis aplikacji Do realizacji opisywanegoo projektu zostały wykorzystane dwa filtry Xinus 1 i Xinus 2 (Rysunek 3). Każdy z filtrów składał się z dwóch jednostek pracujących równolegle (Rysunek 11) ). Filtry charakteryzuje się następującymi parametrami technicznymi: Imax = 25A di/dt max = 915A/ms di/dt min = 295A/ms ΔI ripple,p-p = 1,1A f PWM = 8 khz Parametry pracy zostały ustawione na podstawie przeprowadzonych prób na maszynie wyciągowej. Są one wysoko ustawione względem możliwości techduże wymagania odbioru. nicznych filtru z uwagi na Uruchomienie filtru Xinus na maszynie wyciągowej było prowadzone w dwóch etapach. Pierwszy etap był etapem sprawdzającym. Polegał on na tym, że filtry pracowały na siebie, pobierając z sieci jedynie moc
S t r o n a 8 strat. Jeden z filtrów generował zadane harmoniczne, drugi je kompensował. Pozwoliło to nam na sprawdzenie poprawności działania filtru poza systemem zasilania maszyny wyciągowej, przez co ograniczyliśmy do minimum czas wyłączenia maszyny z eksploatacji. Drugi etap realizowany był już na maszynie wyciągowej i polegał na doborze parametrów pracy filtrów dla różnych jej stanów pracy. Podczas prób natrafiliśmy na przewidywane w fazie symulacyjnej problemy związane z głębokimi zapadami napięcia siec, pochodzącymi z przekształtnika tyrystorowego. Problem udało się rozwiązać przez dobór prawidłowych nastaw regulatorów filtru Xinus. Rysunek 11. Widok wnętrza filtru składającego się z dwóch jednostek pracujących w układzie pracy równoległej. Warto wspomnieć, że ze względu na wymagania odbioru w każdej gałęzi zasilającej pracują po dwa filtry w układzie pracy równoległej. Wszystkie filtry są monitorowane ze wspólnego panelu operatorskiego (Rysunek 12). Rysunek 12. Główny ekran panelu operatorskiego. Na panelu operatorskim wyświetlane są parametry pracy filtru oraz bieżące stany pracy i alarmy. Po zaznaczeniu któregoś z filtrów pokazują się bardziej szczegółowe parametry. Poziomy konfiguracyjne w menu panelu operatorskiego i ustawień są dostępne po zalogowaniu się za pomocą hasła. W menu jest również dostępna pełna historia alarmów oraz logowań do poziomów ustawień w menu. Xinus posiada rozbudowane funkcje konfiguracyjne, pozwalające na wybór trybów i parametrów pracy (Tabela 1) dla zapewnienia możliwości dostosowanie filtru do wymagań aplikacji. Tryby podstawowe kompensacji harmonicznych wybierane są alternatywnie. Można je łączyć z trybami kompensacji mocy biernej i symetryzacji obciążeń za pomocą mechanizmu priorytetów. Pozwala on na zarządzanie wykorzystaniem dostępnej w danej chwili mocy. Mechanizm priorytetów określa który z trybów jest najważniejszy, a następnie określa kolejność pozostałych i dostępność poziomów mocy w danym trybie. Jest to wygodny mechanizm pozwalający na efektywne wykorzystanie dostępnej mocy filtru. Tryb pracy Kompensacja pełna Kompensacja pełna z wyłączeniami Kompensacja selektywna Kompensacja mocy biernej Tryb symetryzacji prądów obciążenia Opis Kompensacja wszystkich harmonicznych, subharmonicznych i interharmonicznych Kompensacja jak w trybie pełnym z wyłączeniem określonych harmonicznych. Przydatne w układach, w których następuje samo kompensowanie się harmonicznych Kompensuje wybrane harmoniczne do zadanego poziomu Kompensacja mocy biernej z możliwością określenia maksymalnej dostępnej dla tego trybu mocy Symetryzacja prądów sieci obciążających transformator. Zapobiega to występowaniu niesymetrii napięć Tabela 2. Tryby pracy filtru aktywnego Xinus. Dodatkowo istnieje możliwość wyboru trybu kompensacji z predykcją i bez predykcji. Tryb z predykcją jest dedykowany dla odbiorów nieliniowych o stabilnym obciążeniu. W trybie predykcji algorytm na podstawie poprzedniego okresu prognozuje parametry prądu kompensującego, dzięki czemu otrzymujemy zwiększoną precyzję kompensacji. Tryb kompensacji bez predykcji dedykowany jest niespokojnym odbiorom nieliniowym, dla których regulacja prądów kompensacyjnych odbywa się z graniczną, możliwą do uzyskania z filtru dynamiką. Jest to możliwe dzięki zastosowaniu innowacyjnego algorytmu estymacji i predykcji odkształconego i niesymetrycznego napięcia sieci, poprawiającego właściwości układu sterowania. Filtr Xinus może pracować w sieciach nn do napięcia sieci 69VAC oraz w sieciach SN przy wykorzystaniu transformatora dopasowującego napięcie lub w trybie bezpośrednim w sieciach do 6kV, przy wykorzystaniu wielopoziomowego falownika napięcia. Moc filtrów można skalować przez pracę równoległą kilku jednostek mocy. Oscylogramy 5, 6 i 7 pokazują efekt pracy filtru widziany w prądzie i w napięciu zasilającym maszynę wyciągową po stronie SN. Na oscylogramie 5 widoczne
S t r o n a 9 jest typowy dla prostownika 12 pulsowego przebieg prądów fazowych, którego THDI przed kompensacją wynosi około 12% na SN. Skutkiem kompensacji harmonicznych prądu po stronie nn jest efekt widoczny na oscylogramach 6 i 7. Oscylogram 6 pokazuje przebiegi prądów fazowych w wyniku kompensacji, których THDI jest mniejsze od 5%, natomiast oscylogram 8 pokazuje napięcie, którego THD U jest mniejsze od 2% i zostało skompensowane z poziomu przekraczającego 8%. Podsumowanie Projekt był realizowany prawie dwa lata. Dzisiaj wiemy, że zdobyte w tym czasie doświadczenie z maszyną wyciągową znacznie wykracza poza wyniki osiągalne w symulacjach. O sukcesie projektu zadecydował jednak, zastosowany innowacyjny algorytm sterowania opracowany przez naszych naukowców, który sprostał warunkom aplikacji. Nie do przecenienia była również postawa ludzi biorących udział w projekcie ze strony inwestora, wykonawcy, instytucji nadzoru, nauki i pracowników firmy Elmech. Wszystkim tym ludziom pragnę podziękować za ich wkład pracy, pomoc i zaufanie jakim nas obdarzyli. Autor: Bogdan Bałkowski e-mail: b.balkowski@elmech.pl Oscylogram 5. Przebieg prądów po stronie SN przed kompensacją C&T ELMECH Sp. z o.o. Ul. Podmiejska 5C 83- Pruszcz Gdański Tel. +4858 682232 www.elmech.pl Firma C&T ELMECH Sp. z o.o. jest producentem urządzeń energoelektronicznych. Zajmujemy się zasilaniem gwarantowanym prądem stałym i przemiennym oraz problematyką jakości energii. Sztandarowymim produktami są filtry aktywne Xinus oraz system gwarantowanego zasilania Evolution. Filtr aktywny Xinus został wyróżniony w roku 27 Złotym Medalem Prezesa SEP oraz Złotym medalem Międzynarodowych Targów Poznańskich. Oscylogram 6. Przebieg prąd prądów po stronie SN w wyniku kompensacji Oscylogram 7. Przebiegi napięć po stronie SN w wyniku kompensacji harmonicznych prądu
S t r o n a 1 Problem z Przyczyna Skutek Sposoby radzenia sobie Częstotliwość napięcia Duża zmiana obciążenia systemu energetycznego Raczej nie występują w polskim systemie energetycznym Amplitudy napięcia: zapady przepięcia migotanie krótkie przerwy w zasilaniu wahania napięcia wahania obciążenia i załączenia obciążeń, piece łukowe i urządzenia spawalnicze, pioruny i indukowanie się napięć od piorunów załączanie baterii kondensatorów, zwarcia w sieciach przesyłowych i u klientów wahania strumienia światła, przedwczesne starzenie się, przegrzanie lub nieprawidłowe działanie urządzeń podłączonych do sieci, odpadanie styczników i przekaźników, zadziałanie automatycznych bezpieczników przerwanie procesów produkcyjnych błędy w pracy urządzeń energoelektronicznych i elektronicznych UPS regulatory napięcia generator napięcia Filtry przeciwzakłóceniowe kompensatory mocy biernej lub filtr aktywny Xinus pracujący z opcją kompensatora mocy biernej specjalne zabezpieczenia obwodów sterujących urządzeń energoelektronicznych Kształt napięcia: harmoniczne interharmoniczne subharmoniczne nieliniowe odbiory: napędy, spawarki, UPS-y, oświetlenie, komputery, sprzęt biurowy, praca w nasyceniu transformatorów Przegrzewanie baterii kondensatorów Przegrzewanie się transformatorów, kabli Błędne zadziałanie zabezpieczeń nadprądowych przegrzewanie się przewodu neutralnego Filtry aktywne Xinus, Filtry pasywne ( są jednak wrażliwe na zmiany konfiguracji sieci, co często jest powodem powstawania rezonansów) Niesymetria międzyfazowa napięcia nierównomierne obciążenie poszczególnych faz odbiorami 3 i 1 fazowymi, wyłączenie 1 fazy z bateterii kondensatorów w wyniku przepalenia się bezpiecznika przegrzewanie się silników wahania prędkości obrotowej napędów Tabela 3 Podział zaburzeń napięcia ze względu na cechy charakterystyczne oraz przyczyny, skutki i sposoby radzenia sobie. Właściwy rozkład obciążeń odbiorów lub filtr aktywny Xinus pracujący z opcją symetryzacji prądów sieci. Parametr Niskie napięcie (LV) Średnie napięcie (MV) Częstotliwość Zmienność napięcia zasilającego 5Hz ±1% (1s/95% w ciągu tygodnia) 5Hz +4%/-6% (1s/1% w ciągu tygodnia) U n - Napięcie nominalne systemu U n ±1% (1 min/95% w ciągu tygodnia) U c Deklarowane napięcie systemu U c ±1% (1 min/95% w ciągu tygodnia) Szybkie zmiany napięcia 5% Un dopuszczalne normalnie 1% Un rzadkie 4%- dopuszczalne normalnie 6% - rzadkie Migotanie Plt 1 (1 min/95% w ciągu tygodnia) Plt 1 (1 min/95% w ciągu tygodnia) Zapady napięcia Harmoniczne napięcia Niesymetria napięcia Krótkie przerwy w zasilaniu o głębokości do 6% Uc i dopuszczalnym czasie trwania <1s, czasami dopuszcza się głębsze zapady sięgające 85% - 9% Uc jako następstwo łączenia odbiorników w instalacjach odbiorców. U3 3,5%; U9 1,5%; U15,5%; U21,5% U5 6%; U7 5%; U11 3,5%; U13 3%; U17 2%;U19 U23 1,5% U2 2%; U4 1%; U6 24,5% THD U 8% 1 min/95% w ciągu tygodnia) 2% (1 min/95% w ciągu tygodnia); 3% w niektórych lokalizacjach do 1 rocznie o czasie trwania 7% z nich 1 s Długie przerwy w zasilaniu Dopuszczalne od 1 do 5 rocznie o czasie trwania dłuższym od 3 min Przejściowe przepięcia 1,5 kv rms 17% Uc Chwilowe przepięcia 6 kv rms 2% Uc Tabela 4. Zestawienie parametrów napięcia opisywanych przez normę PN-EN 516.