Eliminace poklesů a výpadků napětí v síti závodu

Takto vytvářené pulzující napětí (obr. 1) pak napájí společně všechny připojené stroje. Ty jsou na vstupu trvale zatěžovány podobným způsobem jako tlumiče automobilu na kamiony vytlučeném pravém pruhu dálnice Praha – Brno (nebo opačně) podle toho, který směrem laskavý čtenář právě jede.

Pokud připojená výrobní technologie je takovýmto napětím napájena krátkodobě, určitě nemá problém takovýto stav bez větších potíží přežít. Jiná situace nastává, pokud je takto napájena trvale, a to rychlé změny napětí nemusí ani překročit dovolenou toleranci danou normou EN 50160. Dochází pak k přehřívání vinutí motorů, přetěžování a špatný pracovní bod měničů, zkracování jejich životnosti či zvýšená produkce harmonických složek, poruchy PLC atd. Výsledkem je náhodné přerušování výroby i například poškozování nástrojů při obrábění a podobně. Ve většině případů jsou ztráty značné a pracovníci závodu netuší, že problémy se stabilitou výrobní technologie jsou způsobeny kvalitou napájecího napětí. Pokud se problémem v závodě někdo zabývá, většinou předpokládá, že rychlé poklesy jsou způsobovány primární sítí, tedy známou manipulací na síti. Dlouhodobá měření a praxe však říká, že většina, a to až 98 % problémů s kvalitou napětí sítě, vzniká vlastním provozem v závodě a jen malá část přichází z vnější sítě. A to nemluvíme o dalším velkém problému současné sítě v závodech, o harmonických složkách přinášející přehřívání motorů i měničů, přepěťové špičky, vibrace a mnoho dalšího.

Jaká jsou řešení pro odstranění napěťového vlivu technologie na sebe samu nebo alespoň vlivu proudově „těžké“ technologie (sváření, lisování, těžké pohony atd.) na ostatní technologii?

Řešení jsou v současnosti pravděpodobně tři. Prvním je použít, z hlediska trvalého odběru, dva a více krát předimenzovaný napájecí transformátor. To ovšem předpokládá
i příslušně vysoký zkratový výkon v místě jeho připojení a nevýhodou mohou být i vysoké připojovací poplatky a trvale vysoký odběr naprázdno.

Druhou možností je napájení citlivější technologie přes UPS. Toto řešení je však pro větší výkony desítky až stovky kilowatů velmi finančně náročné i provozně nákladné (každé 3 až 4 roky je třeba 2/3 UPS obnovit).

Poslední možností, o které se zmíníme podrobněji, je řešení s pasivní stabilizací napětí. Ve výrobních systémech například v automatizovaných svařovnách automobilových závodů, obráběcích centrech, lisovnách plastických hmot, ale i například ve výškových budovách vybavených mnoha výtahy, jsou proudové rázy a tím vznikající rušení víceméně náhodného charakteru. To je dáno nepravidelnou a rychle se měnící zátěží. Abychom zamezili kolísání napětí, je nutné tyto rychlé proudové změny kompenzovat. To není snadný úkol neboť reakce takového „kompenzátoru“ musí být však velice rychlá, prakticky v reálném čase.

Řešení těchto problémů je možné v podobě zařízení nazývaného Equalizer (obr. 2). Jedná se o systém určený k omezení výkyvů proudu a napětí, a filtraci harmonických složek v mnoha aplikacích s rychle se měnící dynamickou zátěží.

Výhodou tohoto systému je velmi rychlá reakce díky polovodičovým spínačům a řídící jednotce pracující jako analyzátor kvality sítě. Ten analyzuje průběhy napětí a zatěžovací proudy a zjišťuje okamžitou velikost reaktance sítě. Tento výpočet provádí průběžně. V případě výkyvu odebíraného proudu je Equalizer schopen reagovat v čase nejbližšího průchodu nulou proudu protékajícího do kompenzačních kapacitorů. Ano, systém Equalizer je z hlediska odběru systémem pasivním, který ve správný okamžik připojí ke kompenzované síti v daném místě vhodnou velikost reaktance tak, aby potlačil vliv proudové špičky na pokles napětí. Dodá tedy potřebný krátkodobý proud přesně v okamžiku, kdy jej síť právě potřebuje. Jinak řečeno zvyšuje dynamicky zkratový výkon v místě svého připojení. Eliminuje tak rychlé poklesy napětí vznikající proudovými špičkami. Na obr. 3 je zachycen průběh napětí a proudu bez kompenzace a s kompenzací pomocí Equalizeru. Můžeme si všimnout, že v případě kompenzace není nárůst proudu odebíraného ze sítě tak významný jako bez kompenzace. Tomu odpovídá i redukovaný pokles napětí.

Vzhledem k principu činnosti zároveň s eliminací kolísání napětí Equalizer dynamicky kompenzuje jalový výkon (účiník) a využitím kombinace induktorů a kapacitou nutných pro jeho činnost může současně potlačovat i harmonické složky v síti. Díky tomu, že systém obsahuje pouze pasivní prvky – banky kapacitorů a induktorů a výkonové spínače, nemá žádnou vlastní spotřebu, pokud nepočítáme cca 80 W spotřeby kontroléru-analyzátoru. Stabilizací napětí přináší i jistou úsporu spotřeby elektrické energie na úrovni 5 – 15 %.

Vzhledem k dynamické kompenzaci účiníku, jak bylo výše uvedeno, Equalizer dynamicky kompenzuje reaktanci sítě tak, aby se jevila jako stabilní reálný odběr, lze Equalizer využít i k „uvolnění“ části výkonu napájecího transformátoru závodu, který je normálně rezervován pro jalový výkon, a to i v případech velmi dynamických odběrů nebo v místech sítě, kde distributor nemá dostatečný zkratový výkon a připojení velmi dynamických odběrů (svařovny, lisovny a podobně) by způsobovali vysokou úroveň flickeru na nadřazené síti.

Equalizer je systém, který je vždy navržen podle konkrétní situace u zákazníka tak, aby maximálně zlepšil situaci v jeho síti. Výhody systému Equalizer lze využít i při potlačení vlivu rozběhu velkých motorů, kdy Equalizer potlačí vysoké rozběhové proudy odebírané ze sítě, a přitom zachová krouticí moment motoru, na rozdíl od například Softstarteru.

Dále může pomoci řešit stabilizaci sítě v místech připojení solárních či větrných elektráren, kdy výrobce nabízí speciální konstrukci Equalizeru pro tyto účely.

V neposlední řadě je dodávána i verze, která je schopna potlačit krátkodobé poklesy napětí z nadřazené sítě, tak zvané manipulace, až do délky 3 sekund, a poklesu na 30 % jmenovité hodnoty napětí. Ale to je již téma pro jiný článek.

Eliminating the Power Drops and Failures within the Plant Grid
More than ever before, the current power grid in industrial enterprises is impacted by the operations of connected devices. Due to the technologies used, the nature of their consumption is very dynamic. However, we are not talking just about the typical types of consumption such as spot welding or large drives starting. We are focusing on a huge amount of rather small highly dynamic drives being part of various technological units composed of many active members. These may not heavily influence the power grid when separate, but if combined, they produce a current consumption of a very fast pulse frequency. Consequently, they generate a very fast fluctuating voltage.

Autor

• Ing. Smetana Jaroslav