Dziś jest środa, 23 październik 2019 r.
Energoelektronika.pl na stronach Facebook REKLAMA MAPA SERWISU KONTAKT
Strona główna Załóż konto Artykuły branżowe Katalog firm Seminaria FAQ Kalendarium Słownik Oferta
Wyszukaj
1USD 3.8408 +0.26% 1EUR 4.2792 +0.04% 1GBP 4.97 -0.02%
Zaloguj się
Login (adres e-mail):
Haslo:
  Rejestracja
  Zapomniałem hasła
Reklama

Reklama

Aktualności
Przed nami 32. edycja targów ENERGETAB 2019
więcej
Przyszłość sektora motoryzacji w Polsce ? raport Banku Pekao S.A.
więcej
32 edycja targów Energetab 2019 juz za cztery tygodnie
więcej
Cykl szkoleń z zakresu programowania sterowników SIMATIC S7-300, S7-1200
więcej

Zobacz archiwum

Kalendarium
23 październik 2019
LUMENexpo Targi Techniki Świetlnej  
więcej
29 październik 2019
73. edycja Seminarium dla Służb Utrzymania Ruchu  
więcej
Newsletter
Jeżeli chcesz otrzymywać aktualne informacje o wydarzeniach w branży.
Podaj e-mail do subskrypcji:


Artykuły branżowe
9 listopad 2009.

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.

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 KOMAGu, co wymagało realizacji rozległych analiz wpływu urządzeń na modernizowaną sieć.
Z punktu widzenia technicznego było to skoncentrowane zestawienie negatywnych cech odbioru. Szybko-zmienność obciążenia, duży współczynnik szczytu prądu wraz z b. wysoką stromością narastania prądów obciążenia, głębokie zapady napięcia  dochodzące 100% 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. 


Rysunek 2. Filtr aktywny Xinus- 1/2filtru.

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 50160, norm grupy PN-EN 61000-(...)-(...) oraz dziennika ustaw nr Dz. U. Nr 93 poz 623 z 4 maja 2007, znanego jako roz-porządzenie przyłączeniowe. Norma PN-EN 50160 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 (WWW.NVE.NO). 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 61000, które stawiają wymagania dla odbiorów małejdo sieci zasilającej, wyznaczają sposoby ich badania 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 (prof. Zbigniew Hanzelka - Jakość energii elektrycznej. W cz.1-6 wyczerpująco opisuje większość  zagadnień dotyczących poszczególnych zjawisk  jakości energii.). 
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 60% -70% 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 EUR rocznie.

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 50 160. Dla każdej grupy podane są najczęstsze przyczyny, skutki i sposoby radzenia sobie z poszczególnymi problemami, choć nie wyczerpują one całej problematyki.
Harmoniczne  (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.) 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, zadziałanie zabezpieczeń nadprądowych, zakłócenia pracy urządzeń mikroprocesorowych i wiele innych,
Moc bierna ? podnosi wartość RMS prądu. Stanowi więc dodatkowe obciążenie transformatora i prze-wodów oraz w głównej mierze odpowiada za wahania napięcia, które dobrze obrazuje następująca zależność  (DELTA U - spadek napięcia; Uo - napięcie na zaciskach odbiornika; Q - moc bierna; Szw - moc zwarciowa obwodu) 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.


Oscylogram 1. Wpływ mocy biernej pobieranej przez odbiór niespokojny, na wahania napięcia.
Realizacja projektu

Celem modernizacji maszyny wyciągowej było skompensowanie mocy biernej do poziomu tg(fi)=0,4 oraz obniżenie odkształceń napięcia po stronie SN do poziomu zgodnego z normą PN-EN 50160. Dodatkowe cele to  ochrona baterii kondensatorów przed wpływem harmonicznych napięcia oraz obniżenie nega-tywnego 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.
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 wyciągowej jest zasilany dwóch prostowników sześciopulsowych, które z kolei zasilane są niskim napięciem poprzez dwa transformator Y/DELTA i Y/Y 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).
Cykl pracy trwa przeciętnie około 110s. 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 70 % 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 30%, 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


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.
 

Oscylogram 3. Przebiegi czasowe U, I, P, Q S dla pojedynczego cyklu pracy maszyny wyciągowej, rejestrowane w jednej gałęzi po stronie nn.


Oscylogram 4. Przebieg napięcia i prądu w jednej fazie , na zasilaniu maszyny wyciągowe po stronie NNj.


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 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 przekształtnika i transformatora na oddziaływanie  rippli pochodzących z kluczowania tranzystorów filtru. Analiza pokazała  wyraźnie negatywne oddziaływanie  rippli, powodujących istotny wzrost strat cieplnych w transformatorze, spowodowanych zjawiskiem prądów wirowych i efektu naskórkowego (Rysunek 5).  Podobne zjawisko występuje w elementach o charakterze pojemnościowym. Z dodatkowych obliczeń wynikało, że poważnie zagrożone są gasiki na tyrystorach przekształtnika. W związku z tym, prawdziwe jest stwierdzenie,  że obecność rippli wywołuje wzrost zagrożenia pojawienia się awarii systemu zasilania maszyny wyciągowej.


Rysunek 5. Obraz strat cieplnych w transformatorze na skutek obec-ności harmonicznych w prądzie z pominięciem podstawowej harmonicznej ( "DELTA"Pfe - straty w rdzeniu,  "DELTA"Pcu - straty w uzwojeniach transformatora, Ih - prąd poszczególnej harmonicznej). Widoczny wyraźny wzrost strat w  zakresie częstotliwości kluczowania.

Przeprowadzono również analizę wpływu baterii kondensatorów na przesunięcie fazowe napięcia synchronizującego załączanie tyrystorów. Z analizy wyłączono jednak filtr aktywny, gdyż nie wpływa on na harmoniczną podstawową (50Hz). Na wstępie wyznaczyliśmy wartość przesunięcia fazowego napięcia synchronizującego w zależności od obciążenia w układzie z wyłączoną baterią kondensatorów. Wynik badania pokazał, że w najgorszym przypadku można  się liczyć z przesunięciem napięcia synchronizującego względem napięcia na zaciskach przekształtnika  nie większym niż "DELTA fi"V <3,231 st. Jest to mała wartość "DELTA fi"V , praktycznie nie wpływająca na poprawność sterowania przekształtnikiem i jest porównywalna z rozrzutem parametrów dynamicznych tyrystorów (w tym rozrzut czasów komutacji). Następnie powtórzono analizę z włączoną baterią kondensatorów, co pozwoliło nam na wyznaczenie wpływu baterii kondensatorów. Poniższe wykresy 3D przedstawiają  "DELTA fi"V =f(IREC, fi), zmianę kąta fazowego napięcia synchronizującego w układzie bez włączonej baterii kondensatorów Rysunek 6a i z włączoną baterią kondensatorów Rysunek 6b. Dodatkowo, Rysunek 6c ilustruje zmiany kąta przesunięcia fazowego napięcia synchronizującego  "DELTA fi"V(1)- "DELTA fi"V(2), jakie zachodzą w linii zasilającej po załączeniu kompensatora przy takich samych warunkach obciążenia i sterowania przekształtnika maszyny wyciągowej. Jak widać na Rysunek 6c, włączenie kompensatora powoduje tylko bardzo małe zmiany kąta przesunięcia fazowego napięcia synchronizującego, w przybliżeniu  nie większe niż 0,65 st.


Rysunek 6. Przesunięcia fazowe napięć VT  oraz V'6kV: a) w przypadku odłączonego kompensatorze; b) w przypadku pełnej kompensacji składowej biernej prądu obciążenia, c) zmiana przesunięcia po załączeniu kompensatora.

Na tej podstawie można odpowiedzialnie stwierdzić, że załączenie kompensatora nie wpłynie na poprawność działania przekształtników zasilających maszynę wyciągową.

Dobór filtru

Dobór urządzenia do aplikacji polega na ocenie zgodności parametrów technicznych urządzenia z wymaganiami aplikacji. Na rynku brak jasnej informacji o ważnych parametrach technicznych filtrów aktywnych, które pozwoliłyby na porównanie urządzeń. W związku z tym w tabeli nr 1 przedstawione są najważniejsze parametry, decydujące o zdolności filtru do kompensacji harmonicznych odbioru. Pierwsze dwa parametry nie wymagają wyjaśnień. Pozostałe są kluczowe dla filtru aktywnego i decydujące o jego przydatności technicznej. 
Zastanówmy się więc nad ich znaczeniem na przykładowym przebiegu prądu odbioru nieliniowego (czerwony) 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.


Tabela 1. Najważniejsze parametry filtru aktywnego, decydujące o przydatności technicznej.

I tak, Imax (maksymalny prąd szczytowy) to maksymalna chwilowa wartość prądu jaką będzie musiał wygenerować filtr aktywny zaś di/dt (nazywane dynamiką filtru) odpowiada za zdolność filtru do odtworzenia kształtu prądu odkształceń(Rysunek 8), czyli odpowiada za skuteczność kompensacji harmonicznych prądu odbioru.

Rysunek 7. Przebieg napięcia sieci, prądu  pobieranego przez odbiór nieliniowy, prądu kompensującego i prądu po kompensacji.
 
Rysunek 8. Prąd kompensujący generowany przez filtr aktywny.

Dynamika filtru jest wartością zmienną i zależy od trzech parametrów, od różnicy napięcia w zasobniku energii którym jest kondensator w filtrze aktywnym i chwilowej wartości napięcia sieci,  od wartości indukcyjności dławika w filtrze i najważniejsze, od efektywności sterowania(1) . Jak widać (Rysunek 9) dynamika może mieć również dwa kierunki działania. W każdej chwili mamy do dyspozycji dodatni zależny od +"DELTA"U i ujemny zależny od -"DELTA"U w zależności od tego czy w danej chwili filtr będzie chciał uzupełnić braki prądu względem IRMS czy też zmniejszyć jego wartość chwilową.

Drugą wartością, od której zależy dynamika jest indukcyjność dławika w filtrze aktywnym. Jak widać ze wzoru, jeśli dławik ma dużą indukcyjność to dynamika będzie maleć i odwrotnie.


Rysunek 9. Dynamika filtru aktywnego.

Trzecią wartością we wzorze, jest współczynnik K określający zdolność układu sterowania do wykorzystania dynamiki filtru określonej dwoma poprzednimi parametrami. Śmiało można powiedzieć, że jest to najważniejszy parametr, zależny od stopnia zaawansowania algorytmu sterującego.
 
Rysunek 10. Przebieg dynamiki filtru i dynamiki odbioru.
Na rysunku nr 10 przedstawiono zależność pomiędzy dynamiką prądu odbioru, a dynamiką prądu filtru. Miejsca gdzie przebieg dynamiki odbioru przekracza przebieg dynamiki filtru są miejscami, w których będzie występować niedokompensowanie. Sytuacją idealną więc będzie sytuacja, w której dynamika zmian prądu odbioru będzie się mieścić w granicach dostępnego zakresu dynamiki filtru.  Pamiętajmy jednak, że 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  kompensacji.

Następnym ważnym parametrem jest poziom rippli 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 wartościami tak, aby zachować jak największą dynamikę i jak najmniejsze ripple przedostające się do kompensowanej sieci. Nie jest to jednak zadanie łatwe, bo przy satysfakcjonującej nas dynamice wartość rippli będzie duża.
W związku z tym, aby zachować stosunkowo wysoką dynamikę i niski poziom rippli w sieci, zamyka się je w filtrze i wytraca na rezystorach, obniżając w ten sposób znacznie sprawność energetyczną filtru (parowóz). Jest to typowy wybór mniejszego zła.
W filtrze aktywnym Xinus opracowana została unikalna konstrukcja filtru wejściowego, dzięki której  nie 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 konstrukcji, zwłaszcza jeśli mamy do czynienia z dużymi mocami .

Opis aplikacji

Do realizacji opisywanego 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:

Parametry pracy zostały ustawione na podstawie przeprowadzonych prób na maszynie wyciągowej. Są one wysoko ustawione względem możliwości technicznych filtru z uwagi na duże wymagania odbioru.
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 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.


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 690VAC 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 jest typowy dla prostownika 12 pulsowego przebieg prądów fazowych, którego THDI przed kompensacją wynosi około 12% na SN. Skutkiem kompensacji har-monicznych 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%.


Oscylogram 5. Przebieg prądów po stronie SN przed kompensacją

 
Oscylogram 6. Przebieg prąd prądów po stronie SN w wyniku kompensacji

 
Oscylogram 7. Przebiegi napięć po stronie SN w wyniku kompensacji harmonicznych prądu


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

Źródło: C&T ELMECH
O nas  ::  Regulamin  ::  Polityka prywatności (Cookies)  ::  Reklama  ::  Mapa stron  ::  FAQ  ::  Kontakt
Ciekawe linki: www.klimatyzacja.pl  |  www.strony.energoelektronika.pl  |  promienniki podczerwieni
Copyright © Energoelektronika.pl