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 3.8473 +0.17% 1EUR 4.2778 -0.03% 1GBP 4.9449 -0.51%
Zaloguj się
Login (adres e-mail):
Haslo:
  Rejestracja
  Zapomniałem hasła
Reklama

Aktualności
Cykl szkoleń z zakresu programowania sterowników SIMATIC S7-300, S7-1200
więcej
Nowy cykl szkoleń praktycznych związanych z programowaniem sterowników marki Siemens
więcej
Przyszłość sektora motoryzacji w Polsce ? raport Banku Pekao S.A.
więcej
Przed nami 32. edycja targów ENERGETAB 2019
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
23 październik 2015.

By-passowe zasilanie napędów łączników średniego napięcia

By-passowe zasilanie napędów łączników średniego napięcia

Instytut Energetyki-Zakład Doświadczalny w Białymstoku wspólnie z firmą Maks s. c., rozpoczął prace związane z analizą i oceną obecnego sposobu zasilania napędów łączników SN [9]. Występujące problemy związane z eksploatacją akumulatorów, stosowanych w układach zasilania, powodują wzrost zainteresowania tym zagadnieniem. Rozpoczęte przez autorów prace, mają na celu poprawę istniejącego stanu poprzez opracowanie nowej koncepcji zasilania łączników SN. Stosowane obecnie w napędach akumulatory bezobsługowe nie są w pełni kontrolowane przez układy nadzoru i sterowania. Zazwyczaj miernikiem stanu akumulatora są pomiary napięcia na zaciskach akumulatora. Dane takie nie są wystarczające do poprawnego określenia stanu akumulatora. Do pełnego zdiagnozowania akumulatora niezbędne jest określenie stanu jego aktualnej pojemności. Zabieg taki jest wykonywany niezwykle rzadko. Z tego też tytułu, część użytkowników, tj.oddziałów energetycznych spółek dystrybucyjnych, wykonuje rutynowy zabieg wymiany wszystkich akumulatorów na nowe, po 3-ch latach eksploatacji, niezależnie od stopnia ich zużycia. Prace podjęte przez IE-ZD i firmę Maks s. c., mają na celu opracowanie sposobu przedłużenia żywotności akumulatorów, poprzez zastosowanie superkondensatorów w połączeniu równoległym z akumulatorami które nie dopuszczałyby do zbyt głębokiego rozładowania i zapewniałyby zasób energii wystarczający do uruchomienia napędu i wykonania przełączenia,niezależnie od stanu akumulatora.

Charakterystyka akumulatorów

Dotychczas w układach zasilania napędów rozłączników SN stosowane są akumulatory elektrochemiczne, kwasowo - ołowiowe, bezobsługowe typu VRLA - Valve Regulated Lead Acid z zaworami regulacyjnymi. Akumulatory takie są wykonywane w dwóch technologiach: akumulatory tzw. żelowe i akumulatory AGM - Absorbed Glass Mat [2]. Charakteryzują się one zdolnością do gromadzenia bardzo dużych energii - 100Wh/kg, małą gęstością mocy - 100 W/kg, żywotnością - 1000 cykli ładowania/rozładowania, długim czasem ładowania, zależnością: parametrów SEM, rezystancji wewnętrznej, trwałości od temperatury, sprawnością rzędu 70% [1].

W układach zasilania napędów łączników SN stosowane są głównie akumulatory typu Europower EP 17-12, Europower EC 17-12, Alarmtec BP18-12 [6, 8] i inne o podobnych parametrach.

Na rys. 1 i 2 przedstawiono charakterystyki żywotności akumulatorów w zależności od temperatury pracy i liczby cykli.


Rys. 1. Trwałość akumulatora pracy buforowej [8]


Rys. 2. Trwałość akumulatora pracy cyklicznej

Pojęcie żywotności projektowej dotyczy tylko i wyłącznie pracy akumulatora w charakterze buforowym, czyli jako rezerwowe źródło zasilania. W przypadku, gdy akumulator jest podstawowym źródłem zasilania, wówczas pracuje on cyklicznie. Charakteryzuje się on często powtarzanymi cyklami rozładowania/ładowania, jak np. eksploatacja w napędach łączników średniego napięcia. Na rys. 3 i 4 przedstawiono charakterystyki rozładowania akumulatora 12V serii EP.


Rys. 3. Charakterystyka samorozładowania akumulatorów serii EP [8]


Rys. 4. Charakterystyka rozładowania akumulatora serii EP [8]

Znamionowa temperatura pracy akumulatorów wynosi 25°C. Praca akumulatorów w podwyższonych temperaturach powoduje bardzo znaczne skrócenie żywotności. Akumulator eksploatowany w temp. 33[°C] zachowa 50[%], a w 41[°C] zaledwie 25[%] projektowej żywotności. Eksploatacja w wysokiej temperaturze (powyżej 40 [°C]) oprócz znacznego skrócenia żywotności akumulatorów, może doprowadzić do ich uszkodzenia. Akumulatory ołowiowo - kwasowe są wrażliwe na nadmierne rozładowania. Zbyt głębokie rozładowanie powoduje zmniejszenie pojemności i skrócenie żywotności. Głęboko rozładowane akumulatory ulegają zasiarczeniu, które objawia się częściową, nieodwracalną utrata dostępnej pojemności. Końcowe napięcia rozładowania (rys. 4) zależą od prądu jakim jest rozładowywany i określone są na charakterystyce rozładowania akumulatora. W sytuacji kiedy następuje wielokrotne przekroczenie napięć rozładowania, akumulator zostaje zasiarczony, traci pojemność i żywotność. Nie wolno również przekraczać maksymalnych prądów rozładowania. Pobór prądu większego od dopuszczalnego może skutkować nagłym wzrostem temperatury wewnątrz obudowy oraz uszkodzeniem połączeń wewnątrz akumulatora. Dla uzyskania maksymalnej żywotności i niezawodności akumulatorów bezobsługowych, należy przeprowadzać okresowe kontrole ich stanu i parametrów pracy. Przynajmniej 1 raz w roku należy sprawdzić [8]:

  • napięcie ładowania baterii tj. 2,25 do 2,30 [V/ogniwo]
  • napięcie ładowania na poszczególnych akumulatorach tj. 13,5÷13,8 [V]
  • rezystancję wewnętrzną i dopuszczalny wzrost o 30% nowego akumulatora
  • prąd ładowania baterii zmniejszający się do 4[mA] na 1[Ah] pojemności baterii
  • pojemność baterii za pomocą częściowego rozładowania prądem znamionowym
  • temperaturę pracy.

Charakterystyka superkondensatorów

Superkondensator lub ultrakondensator jest specyficznym rodzajem kondensatora elektrochemicznego. Charakteryzuje się on niezwykle dużą pojemnością elektryczną / w zestawach/przekraczającą wielokrotnie pojemność typowego kondensatora elektrolitycznego o porównywalnych rozmiarach, bardzo dużą gęstością mocy, przekraczającą 10000 W/kg i dużą gęstością energii, rzędu 10 Wh/kg. Wymienione cechy charakteryzujące superkondensatory pozwalają na bardzo krótkie czasy ładowania i rozładowania dużymi prądami, a więc poboru, magazynowania i przekazania dużych energii. Wykazują się one bardzo dużą trwałością w szerokim zakresie temperatur pracy [1].

W przeciwieństwie do akumulatorów, energia zgromadzona w ultrakondensatorach pochodzi z reakcji chemicznych, dlatego są one idealne do zastosowań wymagających impulsowego dostarczania dużych prądów. Stąd narzucające się rozwiązanie równoległego łączenia kondensatorów z akumulatorem w celu przedłużenia jego trwałości.

Ultrakondensatory są elementami niskonapięciowymi (typowo Vr=2,5 - 2,7 V), stąd w większości aplikacji, wymagają łączenia szeregowego. Dla uzyskania wypadkowego kondensatora o pojemności Csys i odpowiednio wysokim napięciu należy podłączyć szeregowo n kondensatorów o pojemności C=Csys x n. Uzyskany kondensator będzie miał napięcie Vr x n.

Równoważenie napięć na szeregowo połączonych kondensatorach tak, aby podczas ładowania żaden z kondensatorów składowych nie przekroczył dopuszczalnego napięcia lub podczas rozładowania bliskiego 0V nie został przeładowany w druga stronę przez silniejszych sąsiadów. Stosowane jest równoważenie pasywne (rezystory dołączone równolegle do każdego kondensatora), które obniża sprawność układu poprzez zwiększenie prądu upływu lub droższe - aktywne. Należy pamiętać, aby ewentualnie uszkodzony kondensator zamieniać na nowy tego samego typu, najlepiej sztucznie postarzony do parametrów naprawianej gałęzi, co może być niewygodnym wymaganiem.

Na rys. 5 i 6 przedstawiono przykładowe charakterystyki przebiegu rozładowania kondensatora elektrochemicznego.


Rys. 5. Krzywa samorozładowania kondensatora elektrochemicznego [4]


Rys. 6. Krzywa rozładowania za pomocą rezystora [4]

Na rys. 7 przedstawiono przebieg charakterystyk czasu życia kondensatora w funkcji temperatury i napięcia [Double-Layer Capicitors in Rectangular Metal Case with very High Capacitances In the Farad Range. WIMA, wima.com]


Rys. 7. Trwałość kondensatorów [7]

Z przebiegu charakterystyk widać, że bardzo celowe jest obniżanie napięcia roboczego kondensatorów i unikanie zarówno pracy jak i magazynowania w podwyższonych temperaturach. Stąd przy łączeniu szeregowym kondensatorów należy raczej przewymiarować napięciowo układ.

Kondensator w układzie rozłącznika średniego napięcia pracuje dorywczo, stąd można pominąć wzrost temperatury wywołany wydzielaniem mocy na rezystancji wewnętrznej kondensatorów. Ważniejsze jest zapewnienie temperatury otoczenia, zwłaszcza latem, na jak najniższym poziomie np. przez zapewnienie odpowiedniej wentylacji. Również akumulator zyska na niższej temperaturze pracy.

Poniżej pokazano zależność rezystancji wewnętrznej i pojemności superkondensatora w funkcji temperatury Maxwell [Datasheet, K2 series ultracapicitor, dokument 1015370.3 maxwell.com]


Rys. 8. Zależność rezystancji wewnętrznej i pojemności od temperatury [7]

O ile rezystancja rośnie ze spadkiem temperatury, o tyle spadek pojemności zdecydowanie jest na korzyść superkondensatora. 5

Z porównania charakterystyk trwałości ładowania i rozładowania akumulatorów i superkondensatorów oraz parametrów technicznych można wysunąć następujące wnioski. Kondensatory elektrochemiczne zdolne są do szybszego ładowania i rozładowania, cechują się długą żywotnością, lecz nie są w stanie zmagazynować tak dużej energii elektrycznej jak akumulatory czy ogniwa paliwowe. Superkondensatory mogą zabezpieczać akumulatory przed szkodliwym wpływem obciążeń szczytowych. Porównanie cech kondensatorów elektrochemicznych i akumulatorów wykazuje, iż urządzenia te mogą wzajemnie się uzupełniać.

Model współpracy akumulatorów i superkondensatorów.

W proponowanym, prototypowym napędzie, pokazanym na rys. 9 zastosowano superkondensator firmy Samxon 22F/2.5V [7] o pojemności 8.5 F/35V mający wspomagać akumulator typu EP 17-12, zasilający napęd typu NKM 1.2. Opracowano mikroprocesorowy sterownik kontrolujący ładowanie superkondensatora i jego podłączanie do akumulatora w celu uniknięcia przepływu zbyt dużych prądów wyrównawczych między obydwoma źródłami energii w przypadku zbyt dużej różnicy napięć. W trakcie pracy silnik 24 VDC, 350 W był zasilany z akumulatora i superkondensatora połączonych równolegle.

Zastosowanie superkondensatora pozwala ominąć problem zużytego akumulatora. Jak wykazały badania, ładunek zgromadzony na kondensatorze o pojemności 8,5 F jest w stanie co najmniej dwukrotnie przełączyć rozłącznik bez zauważalnej różnicy w jakości połączenia. Kolejne 2-4 przełączenia zachodzą już z coraz bardziej widocznym trudem spowodowanym rozładowaniem kondensatora. Zasadnym wydaje się zwiększenie pojemności kondensatora do np. 15 F.

Połączenie akumulatora z superkondensatorem zapewnia funkcjonalność napędu. Stan akumulatora i jego pojemność jest przy tym w zasadzie bez znaczenia. W skrajnym przypadku możliwe jest automatyczne odłączenie kompletnie zużytego akumulatora i ładowanie kondensatora wyłącznie z sieci 230 V AC. Minusem jest wówczas krótki czas gotowości napędu przy awarii zasilania 230 V AC . Plusem jest stabilność mocy źródła zasilania niezależnie od stanu akumulatora, wpływu temperatury na jego pojemność, impedancję wewnętrzną itp. oraz niekrytyczny termin wymiany akumulatora w razie wyeksploatowania.

W prototypowym napędzie /rys.9/ moduł kondensatora jest umieszczony pod modułem sterownika celem zapewnienia najkrótszych połączeń dla dużych prądów. Po lewej stronie znajdują się akumulator i szyna bezpieczników sprzężonych ze stykami pomocniczymi do celów diagnostycznych. Po prawej stronie, pod pokrywą znajdują się przekładnia mechaniczna i silnik napędu 24 VDC [5]. Na rys. 10 przedstawiono schemat blokowy zasilania napędu.


Rys. 9. Napęd rozłącznika z zastosowaniem superkondensatorów i akumulatorów.


Rys. 10. Schemat blokowy układu zasilania napędu rozłącznika SN

Przedmiotem dodatkowych prób był prototypowy napęd rozłącznika SN i rozłącznik przedstawiony na rys. 11, w którym silnik był zasilany wyłącznie energią zmagazynowaną w superkondensatorze o pojemności 8,5 F. W opisywanym napędzie odłączono akumulator pozostawiając akumulator ładowany z sieci 230 V AC. Napęd był zainstalowany na słupie poligonowym jesienią i zimą ub. roku i zaprogramowany tak, aby wykonywać cykle zamknięcia i otwarcia co 5 minut. Celem badania było sprawdzenie, czy w trakcie prób dojdzie do degradacji parametrów superkondensatora, która będzie miała zauważalny wpływ na pracę napędu. Napęd pracował poprawnie przez kilka miesięcy. W czasie prób mierzone były czasy zamykania i otwierania rozłącznika w trzech różnych kombinacjach zasilania napędu. W tab.1 przedstawiono wyniki pomiarów tych czasów.


Rys. 11. Stanowisko prób napędu i rozłącznika

Tab. 1. Zestawienie sposobów zasilania i czasów C-O

L.p.
Sposób zasilania napędu
Czas
Zamykania - C [ms]
Otwierania - O [ms]
1
Superkondensator 8,5F ładowany z sieci 230V AC, prądem 1A
390
382
2
Superkondensator 8,5F i akumulator 24V, doładowywanie z sieci 230V AC
369
349
3
Akumulator 24V, doładowywany z sieci 230V AC
395
386

W chwili obecnej, po wykonaniu ponad 20000 przełączeń nastąpiło zmniejszenie z czterech do trzech liczby przełączeń, po których napięcie zasilające, którego źródłem jest superkondesator staje się niewystarczające do wykonania następnego przełączenia. Przy następnych próbach układu zasilania, mierzone będą parametry superkondesatorów takie jak pojemność, rezystancja wewnętrzna w celu ustalenia rzeczywistego tempa degradacji. Z uwagi na konieczność odpowiedniej kontroli stanu i obsługi układu zasilania napędu rozłącznika SN, tj akumulatora i superkondensatora, wynika zasadność opracowania kompleksowego rozwiązania zawierającego napęd elektromechaniczny, akumulator bezobsługowy, superkondensator i niestandardowy zasilacz ze sterownikiem oraz przeprowadzanie pomiarów i badań. Zestaw taki przeznaczony do współpracy z dowolnym modułem radiowym lub teleinformatycznym zapewni prawidłową pracę układów zasilania napędów rozłączników SN.

Proponowane przez autorów pomostowanie zasilania napędów łączników SN, poprzez zastosowanie superkondensatorów umożliwi dostarczenie energii i uruchomienie rozłączników w sytuacjach braku zasilania ze strony akumulatorów. 7

Literatura:
1. Bednarek K., Akumulatory czy superkondensatory - zasobniki energii w UPS-ach, Eletro info nr 1-2, 2012.
2. Czerwiński A., Akumulatory baterie ogniwa, Wydawnictwo Komunikacji i Łączności, Warszawa 2012.
3. Lisowska - Oleksiak A., Nowak A., Wilamowska M., Superkondensatory jaki materiały do magazynowania energii, Acta Energetica mr 1/2010.
4. Jakóbczyk P., Samorozładowanie kondensatorów podwójnej warstwy elektrycznej, Rozprawa doktorska, Politechnika Poznańska 2013.
5. Dokumentacja techniczno - ruchowa. Napęd silnikowy typu NKM 1.2 Instytut Energetyki - Zakład Doświadczalny w Białymstoku 2010.
6. http://www.aval.com.pl/aval.b2-8207.html.
7. http://www.tme.eu/pl/linecard/p/276,samxon.html.
8. Europower akumulacja jakości. Akumulatory i ogniwa bezobsługowe nr 15/2014.
9. Kiszło S., Stasiewicz K., Akumulatory i superkondensatory w układzie zasilania napędów łączników średniego napięcia, Urządzenia dla energetyki nr 7/2014.

dr inż. Stanisław Kiszło - Instytut Energetyki - Zakład Doświadczalny w Białymstoku
mgr inż. Krzysztof Stasiewicz - Maks s.c. Białystok

Źródło: Urzadzenia dla energetyki
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