Index of /rozprawy2/11099

Pełen tekst

(1)AKADEMIA GÓRNICZO-HUTNICZA IM. STANISŁAWA STASZICA W KRAKOWIE WYDZIAŁ ENERGETYKI I PALIW KATEDRA PODSTAWOWYCH PROBLEMÓW ENERGETYKI. Procesy przejściowe w systemach zasilania niekonwencjonalnych odbiorników przemysłowych. Rozprawa doktorska. mgr inż. Michał Gajdzica. Promotor: prof. dr hab. inż. Jurij Warecki Promotor pomocniczy: dr inż. Ryszard Klempka. Kraków 2016 1.

(2) Oświadczam, świadomy odpowiedzialności karnej za poświadczenie nieprawdy, że niniejszą pracę doktorską wykonałem osobiście i samodzielnie oraz , że nie korzystałem ze źródeł innych niż wymienione w pracy.. ………………………………………. Podpis autora pracy Kraków, dnia 25.04.2016 r.. 2.

(3) Składam serdeczne podziękowania dla Pana Profesora Jerzego Wareckiego za pomoc merytoryczną konieczną do powstania niniejszej pracy. Pragnę również podziękować Panu dr inż. Ryszardowi Klempka a także tym wszystkim, którzy wspierali mnie w trakcie powstawania tej pracy.. 3.

(4) SPIS TREŚCI. Spis treści……………………………………………………………………………………………... 4 Wykaz używanych skrótów………………………………………………………………………….. 7. Wprowadzenie……………………………………………………………………………………….. 9 Teza i cel pracy…….………………………………………………………………………….. 10 Struktura rozprawy…….…………………………………………………………………….... 11 1 Stany eksploatacyjne w układach przemysłowych……………………………………………... 12 1.1 Charakterystyka typowych obciążeń przemysłowych……………………………………... 12 1.1.1 Piece łukowe……………………………………………………………………….…… 14 1.1.2 Spawarki dużej mocy………………………………………………………………..….. 17 1.1.3 Napędy prądu stałego i przemiennego………………………………………………….. 22 1.1.4 Odpylacze elektrostatyczne…………………………………………………………….. 28 1.2 Wyższe harmoniczne oraz procesy przejściowe zachodzące w układach przemysłowych….... 31 1.2.1 Wielkości opisujące odkształcenie napięć i prądów……………………………………. 31 1.2.2 Dopuszczalne wartości odkształcenia oraz wyższych harmonicznych………………… 33 1.2.3 Skutki występowania wyższych harmonicznych oraz sposoby ich ograniczania…………. 34 1.3 Metody analizy procesów w układach elektroenergetycznych…………………………………… 35 1.3.1 Analiza czasowa…………………………………………………………………………… 36 1.3.2 Analiza Fouriera…………………………………………………………………………. 37 1.3.3 Analiza częstotliwościowa…………………………………………………………………. 39 1.3.4 Transformata falkowa……………………………………………………………………..39 1.4 Wnioski…………………………………………………………………………………………… 41 2 Badania eksperymentalne przemysłowych układów zasilania…………………………………. 42 2.1 Procedura analizy jakości energii elektrycznej…………………………………………………… 42 2.2 System zasilania przemysłowych odpylaczy elektrostatycznych elektrociepłowni……………... 43 2.2.1 Specyfika układu zasilania………………………………………………………………… 43 2.2.2 Analiza harmoniczna systemu zasilania………………………………………………... 44 2.2.3 Analiza mocy biernej systemu zasilania………………………………………………... 47 2.3 System zasilania przemysłowych napędów prądu przemiennego cementowni……………..... 48 2.3.1 Specyfika układu zasilania……………………………………………………………..... 48 2.3.2 Analiza harmoniczna systemu zasilania…………………………………………………..49 2.3.3 Analiza mocy biernej systemu zasilania………………………………………………….52 2.4 System zasilania przemysłowych napędów prądu stałego kopalni węgla kamiennego…….... 53 2.4.1 Specyfika układu zasilania …………………………………………………………….. 53 2.4.2 Analiza harmoniczna systemu zasilania…………………………………………………. 54 2.4.3 Analiza mocy biernej systemu zasilania………………………………………………... 56 2.5 System zasilania odbiorów przemysłowych zakładu produkującego kable elektroenergetyczne…………………………………………………………………………….. 59 2.5.1 Specyfika układu zasilania…………………………………………………………….... 59 2.5.2 Analiza harmoniczna systemu zasilania……………………………………………….... 60 2.5.3 Analiza mocy biernej systemu zasilania………………………………………………….62 2.6 Wnioski………………………………………………………………………………………… 63 3 Modelowanie układów zasilania…………………………………………………………………. 3.1 Budowa modelu symulacyjnego………………………………………………………………. 3.1.1 Środowisko obliczeń numerycznych…………………………………………………… 3.1.2 Modelowanie procesów komutacji…………………………………………………….... 65 66 66 66 4.

(5) SPIS TREŚCI. 3.1.3 Wykorzystywane metody numeryczne analizy stanów nieustalonych…………………. 67 3.1.4 Algorytmy numeryczne dostępne w środowisku Matlab/Simulink…………………….. 72 3.1.5 Przetwarzanie wyników symulacji…………………………………………………….... 73 3.2 Implementacja elementów systemu zasilania…………………………………………………. 74 3.2.1 Źródło zasilania………………………………………………………………………… 74 3.2.2 Transformator trójfazowy………………………………………………………………. 75 3.2.2.1 Transformatory przemysłowe oraz piecowe…………………………………… 75 3.2.2.2 Modelowanie transformatorów………………………………………………… 75 3.2.2.3 Model transformatora w programie Matlab/Simulink………..………………… 76 3.2.3 Wyłącznik mocy……………………………………………………………………….... 78 3.2.3.1 Modelowanie gaszenia łuku elektrycznego……………………………………...79 3.2.3.2 Modelowanie wyłączników……………………………………………………. 81 3.2.3.3 Model wyłącznika mocy w programie Matlab/Simulink………………………. 83 3.2.4 Układ kompensacji mocy biernej……………………………………………………….. 86 3.2.4.1 Układ baterii kondensatorów oraz filtrów wyższych harmonicznych…………. 86 3.2.4.2 Modelowanie układów kompensacyjnych……………………………………… 86 3.2.4.3 Model układu kompensatora w programie Matlab/Simulink………………….. 88 3.3 Wnioski………………………………………………………………………………………….91 4 Procesy przejściowe w kompensowanych układach przemysłowych………………………….. 93 4.1 Modelowanie procesów……………………………………………………………………….. 94 4.1.1 Charakterystyka systemu zasilania……………………………………………………….94 4.1.2 Parametry transformatora piecowego…………………………………………………… 95 4.1.3 Krzywa magnesowania transformatora…………………………………………………. 97 4.1.4 Układy filtrujące………………………………………………………………………… 98 4.1.5 Topologia układu kompensacyjno-filtrującego…………………………………………. 99 4.2 Włączanie transformatora………………………………………………………………………102 4.2.1 Prąd rozruchowy transformatora………………………………………………………..102 4.2.2 Prądy oraz napięcia przejściowe układu filtrującego…………………………………….103 4.3 Włączanie filtrów……………………………………………………………………………….112 4.3.1 Prądy oraz napięcia przejściowe układu filtrującego……………………………………112 4.4 Wyłączanie układów kompensacyjno-filtrujących w środowisku wyższych harmonicznych….125 4.4.1 Wyłączanie baterii kondensatorów………………………………………………………125 4.4.2 Wyłączanie filtrów harmonicznych………………………………………………………128 4.4.3 Wpływ ponownego zapłonu łuku elektrycznego na proces wyłączania filtru…………..129 4.4.4 Wpływ równoległych filtrów na proces wyłączania filtru……………………………….133 4.5 Wnioski………………………………………………………………………………………...134 5 Kompensacyjno-filtrujące układy dla odbiorników niekonwencjonalnych……………………138 5.1 Dobór parametrów układu…………………………………………………………………….. 138 5.1.1 Uwzględnienie stanów ustalonych………………………………………………………140 5.1.2 Uwzględnienie stanów przejściowych…………………………………………………..141 5.2 Układy filtrujące w systemach przemysłowych………………………………………………..145 5.2.1 Konfiguracja układu……………………………………………………………………. 146 5.2.2 Strojenie filtrów………………………………………………………………………….147 5.2.3 Dobroć filtru……………………………………………………………………………..150 5.2.4 Filtr typu C………………………………………………………………………………151 5.3 Charakterystyka procesów przejściowych w układach filtrujących…………………………….151 5.4 Parametry układu opartego o jednostki typu LC……………………………………………… 152 5.4.1 Dławiki filtrujące…………………………………………………………………………153 5.

(6) SPIS TREŚCI. 5.4.2 Baterie kondensatorów………………………………………………………………….. 153 5.5 Parametry układu z filtrem drugiej harmonicznej typu C………………………………………154 5.5.1 Dławiki filtrujące………………………………………………………………………….154 5.5.2 Baterie kondensatorów…………………………………………………………………….155 5.6 Wnioski…………………………………………………………………………………………155 6 Wnioski końcowe………………………………………………………………………………......157 6.1 Zrealizowane zagadnienia w pracy…………………………………………………………… 157 6.2 Kierunki dalszych prac…………………………………………………………………………158 7 Dodatki……………………………………………………………………………………………..159 7.1 Wartości harmonicznych prądu wybranych odbiorników……………………………………..159 7.2 Podsystemy modeli elementów systemu zasilania……………………………………………. 160 7.3 Cechy charakterystyczne mediów gaszących oraz typowych wyłączników mocy średniego i wysokiego napięcia…………………………………………………………………………..165 7.4 Procedura doboru parametrów dławika filtrującego oraz baterii kondensatorów filtrów analizowanego systemu zasilania w oparciu o stan ustalony…………………………………… 168 7.5 Wybrane informacje techniczne wymagane podczas wyznaczania parametrów dławików filtrujących oraz baterii kondensatorów układu filtrującego……………………………………171 Literatura………………………………………………………………………………………………174. 6.

(7) WYKAZ UŻYWANYCH SKRÓTÓW. Wykaz używanych skrótów W dalszej części pracy, tam gdzie istnieje taka możliwość, zostaną użyte skróty pochodzące od nazw anglojęzycznych powszechnie stosowanych urządzeń oraz algorytmów z zakresu pracy. AC-EAF. stalownicze piece łukowe prądu przemiennego, ang. Alternative Current Electric Arc Furnace. DFT. dyskretna transformata Fouriera (algorytm), ang. Discrete Fourier Transform. DTC. odmiana sterowania wektorowego, ang. Direct Torque Control. DWT. dyskretna transformacja falkowa (algorytm), ang. Discrete Wavelet Transform. DVC. odmiana sterowania wektorowego, ang. Direct Vector Control. ESP. odpylacz elektrostatyczny (elektrofiltr), ang. Electrostatic Precipitator. FACTS. grupa urządzeń regulujących poziom napięć, mocy czynnej i biernej oraz przepływ mocy w sieciach przesyłowych, ang. Flexible Alternating Current Transmission Systems. FC. układ filtrujący, ang. Filter Circuit. FFT. szybka transformata Fouriera (algorytm), ang. Fast Fourier Transform. GMAW. metoda spawania, ang. Gas Metal Arc Welding. IVP. rozwiązanie zagadnienia początkowego (numeryczne całkowanie zagadnienia początkowego), ang. Initial Value Problem. K-factor. współczynnik wzrostu strat dodatkowych wywołanych przez prądy wirowe w uzwojeniach przy prądzie odkształconym. ODEs. równania różniczkowe zwyczajne pierwszego rzędu, ang. Ordinary Differential Equations. PWHD. współczynnik odkształcenia określający częściową, ważoną zawartość wyższych harmonicznych, ang. Partial Weighted Harmonic Distortion. PWM. modulacja szerokości impulsu, ang. Pulse Width Modulation. SVC. kompensator statyczny, ang. Static Var Compensator. TCR. moduł regulacyjny układu kompensatora SVC, ang. Thyristor Controlled Reactor. TDD. współczynnik odkształcenia dodatkowego prądu harmonicznego w całkowitej wartości skutecznej, ang. Total Demand Distortion. TDF. współczynnik odkształcenia odniesiony do wartości skutecznej napięcia lub prądu znamionowego, ang. Total Distortion Factor. THD. współczynnik odkształcenia, ang. Total Harmonic Distortion. 7.

(8) WYKAZ UŻYWANYCH SKRÓTÓW. TRV. napięcie powrotne, ang. Transient Recovery Voltage. TTHD. współczynnik całkowitej zawartości harmonicznych, ang. True Total Harmonic Distortion. UPQC. układ do poprawy jakości energii elektrycznej, ang. Unified Power Quality Conditioner. VVC. odmiana sterowania wektorowego, ang. Voltage Vector Control. 8.

(9) WPROWADZENIE. WPROWADZENIE Procesy przejściowe rejestrowane w przemysłowych systemach zasilania oraz układach elektroenergetycznych powstają na skutek zmian konfiguracji układu wywołanych operacjami łączeniowymi, a także mogą być generowane w sytuacjach awaryjnych np. podczas występowania zwarcia. W obu przypadkach charakteryzuje je wysoki poziom amplitud prądów oraz napięć przejściowych, które za każdym razem wpływają negatywnie na pracę zainstalowanych urządzeń kompensacyjnych. W skrajnych sytuacjach mogą prowadzić również do uszkodzenia elementów co skutkuje trwałym postojem urządzeń, a nawet ciągów urządzeń i tym samym generuje duże koszty związane ze stratą produkcyjną. Jak wskazują wyniki obserwacji, dodatkowym czynnikiem będącym źródłem obostrzenia procesów przejściowych jest również praca tzw. niekonwencjonalnych odbiorników [ang. Disturbing Loads] [1] przemysłowych, do których można zakwalifikować powszechnie stosowane: spawarki elektryczne, napędy prądu stałego oraz przemiennego, piece łukowe prądu przemiennego, przemysłowe odpylacze elektrostatyczne (elektrofiltry) które ze względu na konstrukcję oraz zasadę działania charakteryzuje chaotyczny tryb pracy oraz przepływ w większości niesymetrycznych prądów niesinusoidalnych. Ich normalna praca wynikająca z procesu oraz cyklu technologicznego prowadzi do dużych fluktuacji prądu oraz napięcia zasilania, czego konsekwencją są szybkie i częste zmiany pobieranej mocy. Rosnąca liczba oraz moc tego rodzaju odbiorników w systemach elektroenergetycznych w tym także w wewnętrznych sieciach przemysłowych znacząco obniża parametry użytkowanej energii elektrycznej oraz zwiększa straty mocy czynnej systemów. Działania tego typu wymuszają stosowanie coraz nowocześniejszych (szybszych, bardziej niezawodnych, o szerszym zakresie zastosowań) urządzeń stosowanych do regulacji napięć, kompensacji mocy biernej oraz filtracji wyższych harmonicznych. Coraz częściej również wymaga się, aby oprócz źródeł napięcia oraz transformatorów w procesach regulacyjnych mocy biernej uczestniczyły również kompensatory energoelektroniczne, zaliczane do rodziny układów FACTS [ang. Flexible Alternating Current Transmission Systems] jako kluczowych elementów sieci Smart Grid. Cechą tego rodzaju układów a zarazem wyróżniającą je na tle pozostałych rozwiązań jest duża dynamika regulacji [2], [3]. Wśród nich szczególne miejsce zajmują kompensatory bocznikowe SVC [ang. Static Var Compensator] ze względu na szeroki zakres stosowania oraz możliwości konfiguracji. Biorąc pod uwagę szybkość działania oraz zakres regulacji stwierdza się, że ich rola w systemie nie może sprowadzać się jedynie do stanowienia w sieciach elektroenergetycznych czy przemysłowych dodatkowego źródła lub odbioru mocy biernej, w tym także prowadzenia regulacji napięcia. Dodatkowym aspektem powinna być w tym przypadku możliwość poprawy parametrów energii elektrycznej w systemach zasilania, co bezpośrednio odnosi się do ograniczania szybkich zmian oraz zapadów napięcia powodowanych procesami łączeniowymi czy też pracą odbiorów niespokojnych. 9.

(10) WPROWADZENIE. Biorąc jednak pod uwagę aspekt ekonomiczny, zaawansowane techniki mające na celu zmniejszenie problemów związanych z harmonicznymi odkształceniami oraz kompensacją mocy biernej w układach przemysłowych [1] są zbyt kosztowne a także na tyle skomplikowane, że nie mogą konkurować z obecnie instalowanymi aplikacjami jakimi są: baterie kondensatorów oraz filtry wyższych harmonicznych. W praktyce najczęściej stosowanymi układami są więc nadal filtry jednogałęziowe oraz filtry typu C konfigurowane w oparciu o układy proste oraz złożone. Jak wynika z eksploatacji układów filtrujących, ich wielokrotne komutacje technologiczne w tym również procesy włączania transformatora zachodzące w przemysłowych systemach zasilania odbiorników niespokojnych dosyć często powodują uszkodzenia dławików oraz baterii kondensatorów filtru. Przyczyną tego zjawiska są udary prądowe oraz przepięcia generowane na skutek częstych operacji łączeniowych, których amplitudy znacznie przekraczają wartości znamionowe parametrów układu kompensacyjnego, wynikających z konieczności filtracji oraz kompensacji mocy biernej w danym cyklu technologicznym. Podobną sytuację obserwuje się w przypadku procesów wyłączania filtrów w środowisku wyższych harmonicznych co dosyć często powoduje występowanie przepięć międzystykowych o dużej amplitudzie oraz stromości narastania. W warunkach odkształconego napięcia zasilania oraz na skutek ponownych zapłonów łuku elektrycznego generowane krotności przepięć łączeniowych rejestrowane na elementach układu filtrującego również przekraczają poziom dopuszczalnych wartości projektowych i mogą powodować awarię modułu filtrującego zainstalowanego kompensatora mocy biernej. Na podstawie powyższych uwarunkowań możemy zaobserwować duże praktyczne zapotrzebowanie na zbadanie typowych procesów łączeniowych występujących w układach elektroenergetycznych wraz z określeniem wpływu ich powtarzalności na układy kompensacyjne, wskazanie spośród nich najbardziej niebezpiecznych z punktu widzenia generowanych procesów przejściowych operacji i układów zasilania.. Teza i cel pracy Mając na uwadze poprawną kompensację mocy biernej oraz filtrację wyższych harmonicznych w zakładach przemysłowych zasilających odbiorniki niekonwencjonalne celowym jest zbadanie maksymalnych prądów oraz napięć przejściowych występujących podczas najbardziej charakterystycznych operacji łączeniowych wpływających na niezawodność działania układu kompensacji. W ostatnich latach na skutek coraz szerszego zastosowania nieliniowych odbiorników elektrycznych oraz odbiorów niespokojnych prowadzone są intensywne badania nad złożonymi układami filtrów mające na celu zapewnienie prawidłowego poziomu filtracji odkształceń harmonicznych odpowiadającego aktualnym wymaganiom. Do chwili obecnej brak jest jednak wystarczającej wiedzy, aby sprecyzować w pełni zasady doboru parametrów tak skonfigurowanych układów w warunkach przejściowych stąd, podczas analizy literaturowej sformułowano następującą tezę: Metody analizy krytycznych stanów przejściowych oraz metodologia wyznaczania ich wpływu na parametry projektowe układów kompensacyjno-filtrujących w oparciu o charakterystyki układów przemysłowych oraz ich stanów eksploatacyjnych. Problematyka podjęta w niniejszej pracy nie jest praktycznie możliwa do zrealizowania na podstawie eksperymentalnych badań rzeczywistych obiektów elektroenergetycznych ze względów technicznych i ekonomicznych. Dlatego poznawanie natury zjawisk przejściowych w tak skomplikowanych warunkach pracy układów przemysłowych przeprowadzono drogą ich modelowania i symulacji możliwych stanów przejściowych przy pomocy tych modeli. Modelowany w Simulink’u system dzięki swojej charakterystycznej topologii połączeń umożliwia porównanie krytycznych udarów prądowych oraz przepięć, które mogą zostać 10.

(11) WPROWADZENIE. wygenerowane w badanym systemie zasilania z układami kompensacyjnymi o różnych konfiguracjach i charakterystykach jednostek podstawowych. W wyniku prawidłowego doboru parametrów jednostek filtrujących z uwzględnianiem najbardziej rygorystycznych stanów przejściowych implementowane rozwiązania techniczne układu zapewniają poprawne warunki kompensacji i jego trwałą niezawodną eksploatacje. Uzyskane podczas obliczeń numerycznych wielkości projektowe należy traktować jako charakterystyczne dla tego rodzaju połączeń systemu. W przypadku innej topologii układu zasilania oraz konfiguracji filtrów wyższych harmonicznych możemy oczekiwać zupełnie innej relacji zmian. Elementem tezy jest więc również charakterystyka stanów eksploatacyjnych obciążeń przemysłowych dużych mocy z punktu widzenia jakości energii elektrycznej. Ze względu na wybrany zakres tematyczny pracę podzielono na następujące etapy: 1. Zdefiniowanie rodzaju, poziomu oraz cyklów zaburzeń wprowadzanych przez typowe odbiorniki przemysłowe dużych mocy. 2. Zrealizowanie badań eksperymentalnych procesów przejściowych w układach zasilania nieliniowych oraz niekonwencjonalnych odbiorników przemysłowych wraz z określeniem ich wpływu na parametry pracy i jakość zasilania pozostałych urządzeń. 3. Opracowanie modelu symulacyjnego systemu zasilania pieca łukowego prądu przemiennego z udziałem kompensatora bocznikowego SVC i przeprowadzenie serii symulacji numerycznych dla wybranych operacji łączeniowych. 4. Dobór parametrów układu filtrującego kompensatora w oparciu o stany ustalone oraz przejściowe. Tematyka podjęta w niniejszej pracy ma zdaniem autora istotne znaczenie praktyczne. Otóż zaproponowana procedura doboru parametrów filtrów pozwoli zapewnić bezawaryjną pracę układu kompensatora mocy biernej w prostych oraz złożonych konfiguracjach połączeń. Wpłynie również na ograniczenie kosztów ewentualnych napraw.. Struktura rozprawy Niniejsza rozprawa doktorska została podzielona na 5 rozdziałów: Rozdział 1: opisuje zaburzenia prądów, napięć oraz parametrów jakościowych energii elektrycznej wprowadzanych do sieci zasilającej przez typowe obciążenia przemysłowe dużych mocy. Charakteryzuje metody analizy generowanych procesów przejściowych. Rozdział 2: opisuje badania eksperymentalne procesów przejściowych w aspekcie jakości energii elektrycznej, zrealizowane w systemach zasilania: elektrociepłowni przemysłowej, cementowni, kopalni oraz zakładzie produkującym kable elektroenergetyczne. Rozdział 3: opisuje metody cyfrowego przetwarzania sygnałów w środowisku obliczeń numerycznych programu Matlab/Simulink. W tej sekcji opisano sposób implementacji oraz budowę modelu symulacyjnego systemu zasilania z udziałem kompensatora bocznikowego SVC, typu TCR-FC. Rozdział 4: opisuje wyniki badań symulacyjnych stanów dynamicznych i ustalonych modelowanych procesów włączania transformatora oraz układu filtrów harmonicznych, w kompensowanych systemach zasilania. Charakteryzuje stany wyłączania baterii kondensatorów oraz filtrów w warunkach odkształconego napięcia zasilania oraz przepięć międzystykowych. Rozdział 5: korzystając ze standardów oraz norm opisuje procedurę doboru parametrów dławików filtrujących oraz baterii filtrów, pracujących w prostej i złożonej konfiguracji analizowanego układu kompensacji mocy biernej, dla ustalonych i przejściowych warunków pracy. 11.

(12) ROZDZIAŁ 1: STANY EKSPLOATACYJNE W UKŁADACH PRZEMYSŁOWYCH. ROZDZIAŁ 1. STANY EKSPLOATACYJNE W UKŁADACH PRZEMYSŁOWYCH Jakość energii elektrycznej w systemach przemysłowych w decydującej mierze uzależniona jest od charakterystyki przyłączanych i użytkowanych odbiorników energii elektrycznej. Szczególnie negatywny wpływ na stopień degradacji jakości energii elektrycznej, a także liczbę oraz poziom zachodzących procesów przejściowych mają urządzenia określane mianem odbiorników niekonwencjonalnych. Najczęściej spotykane i będące źródłem częstych stanów przejściowych oraz silnych odkształceń prądów oraz napięć należą do grupy urządzeń trójfazowych, zainstalowanych w specjalnie skonfigurowanych, o złożonej topologii systemach przemysłowych. Odbiorniki niekonwencjonalne należą do grupy urządzeń nieliniowych, charakteryzujących się chaotycznym cyklem pracy, co wynika z ich budowy oraz zasady działania. Ich charakterystyki prądowonapięciowe nie podlegają Prawu Ohma, a pobór energii elektrycznej odbywa się w sposób nieregularny i skokowy. Grupę tego rodzaju odbiorników stanowią przede wszystkim urządzenia górnicze oraz hutnicze o dużych mocach znamionowych, w tym m.in.: piece łukowe, elektrofiltry przemysłowe, układy napędowe walcarek, maszyn wyciągowych, urządzenia zgrzewające itp. W rozdziale omówiono typowe stany eksploatacyjne występujące w systemach zasilania przemysłowego powstałe wskutek występowania przebiegów odkształconego prądu i napięcia oraz procesów przejściowych. Na podstawie typowych urządzeń zainstalowanych w różnych zakładach przemysłowych, wskazano problemy oraz sposób oddziaływania tzw. odbiorników niekonwencjonalnych [ang. Disturbing Loads] na parametry jakości energii elektrycznej. Korzystając z charakterystyk poszczególnych obciążeń, podkreślono aktualność problemu analizy stanów przejściowych z uwzględnieniem wyższych harmonicznych.. 1.1 Charakterystyka typowych obciążeń przemysłowych Wpływ poszczególnych nieliniowych odbiorów przemysłowych na odkształcenie napięcia zależy od rodzaju odbiornika, jego mocy a także mocy zwarciowej w punkcie przyłączenia urządzenia do sieci. Przy czym wzrost wartości mocy zwarciowej determinuje ograniczenie wpływu odbiornika na system zasilania. Źródłem wyższych harmonicznych w sieciach oraz instalacjach przemysłowych są odbiorniki charakteryzujące się nieliniową charakterystyką prądowo-napięciową. Wśród występujących w systemach przemysłowych źródłach harmonicznych można wyróżnić zarówno urządzenia jednofazowe jak i trójfazowe i podzielić je generalnie na trzy charakterystyczne grupy [4]: 12.

(13) ROZDZIAŁ 1: STANY EKSPLOATACYJNE W UKŁADACH PRZEMYSŁOWYCH. 1. urządzenia generujące łuk elektryczny np.: piece łukowe, urządzenia spawalnicze, wyładowcze źródła światła – ze względu na nieliniowość charakterystyki napięciowo-prądowej łuku elektrycznego. 2. urządzenia z rdzeniem ferromagnetycznym – np. transformatory, silniki elektryczne – ze względu na nieliniowość charakterystyki magnesowania obwodu magnetycznego. 3. urządzenia elektroniczne i energoelektroniczne – np. prostowniki niesterowane i sterowane, przetwornice częstotliwości – ze względu na nieliniową pracę elementów półprzewodnikowych. Wartości harmonicznych prądu wybranych odbiorników jedno- oraz trójfazowych podano w Dodatku 7.1, tabela 7.1 i 7.2. Urządzenia przemysłowe określane jako odbiorniki niekonwencjonalne [ang. Disturbing Loads] cechują się dużą zmiennością poboru energii w czasie normalnej pracy oraz wpływają negatywnie na jakość parametrów zasilania. Odbiory tego typu charakteryzuje również chaotyczny cykl pracy objawiający się jednocześnie zmiennym, nieliniowym oraz asymetrycznym obciążeniem sieci. Taka praca skutkuje wprowadzeniem do sieci przemysłowych dużych wahań oraz oscylacji napięcia, czasami przekraczających wartości progowe, asymetrii obciążenia a także wyższych harmonicznych napięcia oraz prądu znacznie przekraczających dopuszczalne wartości. Odbiorniki niekonwencjonalne wpływają również negatywnie na wartość współczynnika mocy cosφ. Ich praca zwiększa w znaczącym stopniu sumaryczną wartości dyrektywnego współczynnika tgφ zakładu przemysłowego, co w konsekwencji może powodować kary umowne za niedotrzymanie deklarowanych parametrów jakościowych energii. Problem jaki stanowi praca odbiorników niekonwencjonalnych jest dość poważny, gdyż tego typu odbiory stanowią potencjalne zagrożenie dla prawidłowego funkcjonowania systemu zasilania przemysłowego podczas występujących dosyć często stanów przejściowych. Towarzyszące im zaburzenia natury komutacyjnej wynikające z charakteru ich pracy a także cyklów technologicznych, generują wysokie amplitudy prądów oraz napięć przejściowych. Z kolei powstające w sieci zasilającej zaburzenia, są niebezpieczne zarówno dla zainstalowanych odbiorów a także aparatury łączeniowej, sygnalizacyjnej oraz zabezpieczeniowej. W konsekwencji ich obecność może prowadzić do trwałych uszkodzeń sprzętu a także wpłynąć na zaprzestanie cyklu produkcyjnego. Niski współczynnik mocy oraz generowane w sieci zakładów przemysłowych stany przejściowe prowadzą dosyć często do zainstalowania układów kompensacyjno-filtrujących, które wyposażone w człony regulacyjne z dławikami tłumiącymi zwiększają efektywność oraz poprawiają jakość użytkowanej energii elektrycznej. W przypadku dużych oraz częstych zaburzeń wynikających z cyklu technologicznego przedsiębiorstwa, problem kompensacji zaczyna stanowić poważne zagrożenie dla poprawnego funkcjonowania wewnętrznego systemu zasilania [5], [6], [7]. Generuje również tym samym wysokie koszty przedsięwzięcia jakim jest zakup odpowiednich urządzeń oraz aparatury do kompensacji oraz ograniczania stanów przejściowych. Stąd głównym aspektem pracy, jest wskazanie występujących w układach przemysłowych zjawisk przejściowych oraz omówienie ich negatywnego oddziaływania na sieć, wraz z przeprowadzeniem analizy prawidłowego doboru aparatury łączeniowej oraz elementów układu kompensacji. Jak wynika z charakteru pracy typowych urządzeń przemysłowych, główne źródła oraz rodzaje zakłóceń można sklasyfikować w oparciu o normę IEEE 1159, a także ze względu na czas trwania oraz amplitudę zakłócenia. Dodatkowo zagadnienia związane z jakością energii elektrycznej w Polsce regulowane są poprzez: rozporządzenie Ministra Gospodarki i Pracy [8], Ustawę: Prawo Energetyczne [9] oraz pozostałe rozporządzenia i ustawy aktualizowane na bieżąco na stronie Ministerstwa Gospodarki [10].. 13.

(14) ROZDZIAŁ 1: STANY EKSPLOATACYJNE W UKŁADACH PRZEMYSŁOWYCH. 1.1.1 Piece łukowe Stalownicze piece łukowe są klasycznym i najstarszym rodzajem przemysłowych urządzeń elektrotermicznych wykorzystującym zjawisko nagrzewania łukowego. W chwili obecnej piece łukowe prądu przemiennego AC-EAF [ang. Alternative Current Electric Arc Furnace] zachowują przodujące znaczenie jako podstawowy agregat metalurgiczny podczas produkcji stali oraz wytopów wysokojakościowych [11]. Budowa oraz zasada działania Pełny cykl topienia metalu przebiegający w elektrycznych piecach łukowych prądu przemiennego można umownie podzielić na kilka stadiów, z których podstawowe trzy obejmują etapy: roztapiania wsadu, świeżenia a następnie rafinowania kąpieli [12],[13]. Pierwsze z wymienionych etapów pracy pieca charakteryzuje się największym poborem oraz fluktuacjami mocy elektrycznej. Obserwuje się silnie zmienny charakter poboru mocy czynnej oraz biernej, a także dość niski współczynnik mocy rzędu 0,6 - 0,7. W tych warunkach termicznych łuk powstający między elektrodą a wsadem płonie niestabilnie a jego długość jest mała, co przyczynia się do powstawania wyższych harmonicznych rzędów parzystych oraz nieparzystych. Podczas fazy roztapiania występują częste zerwania łuku a także zwierania elektrod z wsadem, co dodatkowo wywołuje szybkie wahania prądu przyczyniające się do szybkich zmian przejściowych napięcia. Roztapianie kąpieli obejmuje procesy w jakich piec zużywa 60 - 80% całej energii elektrycznej pobieranej w całym cyklu technologicznym. W drugim etapie, podczas świeżenia płonący miedzy elektrodami a płaską powierzchnią ciekłego metalu, w środowisku o wysokiej temperaturze łuk cechuje się większą stabilnością, a liczba zerwań maleje do minimum. Ostatecznie przyczynia się do zmniejszenia wahań mocy chwilowej a także do wzrostu współczynnika mocy pracującego układu. Podczas świeżenia różnica między napięciami zapłonu łuku a stabilnego płonięcia zmniejsza się, a ujemna rezystancja dynamiczna maleje. Ostatnim etapem procesu technologicznego pieca jest tzw. stadium rafinacji kąpieli, podczas którego obserwuje się silną stabilizację charakterystyk dynamicznych napięciowo - prądowych łuku elektrycznego. Liczba stanów przejściowych oraz oscylacje napięcia i prądu maleją. Typowy histogram rozkładu mocy czynnej pobieranej przez piec łukowy dużej pojemności wsadowej pokazano na rysunku 1.1.. Rysunek1.1: Przykładowy program mocy czynnej pieca AC-EAF 100 [13]. Jak wynika z diagramu technologicznego pracy pieca, każde stadium pracy charakteryzuje określona liczba stanów komutacyjnych, stąd istnieje potrzeba prowadzenia kompensacji mocy biernej a tym samym odpowiedniego cyklu przełączania baterii kondensatorów. Aktualność problemu zaprezentowano w tabeli 1.1. 14.

(15) ROZDZIAŁ 1: STANY EKSPLOATACYJNE W UKŁADACH PRZEMYSŁOWYCH. Tabela 1.1: Klasyfikacja pieców elektrycznych Typ pieca łukowego: Piece (oporowe)rezystancyjne, rezystancyjno-łukowe Piece indukcyjne: - piece indukcyjne rdzeniowe, z rdzeniem magnetycznym zasilane prądem przemiennym o niskiej częstotliwości - piece indukcyjne bezrdzeniowe, zasilane prądem przemiennym dużej częstotliwości (powyżej 10 kHz) Piece dielektryczne. Moc znamionowa pieca kVA. Współczynnik mocy cosφ -. Współczynnik tgφ [-] -. do 30 000. 0,95 - 1,0. 0 - 0,32. 0,85. 0,62. (30 - 400). 0,35 - 0,85. 0,62 - 2,68. do 1,20 000. 0,10. 9,95. 0,85 0,62 (10÷150) (10 000÷180 000) Piece łukowe prądu przemiennego 0,80 - 0,90 0,75 kVA/Mg* * moc jednostkowa pieców łukowych prądu przemiennego, będąca stosunkiem mocy transformatora piecowego do pojemności wsadowej pieca. Układ zasilania Tor wielkoprądowy pieca łukowego AC-EAF powinien zapewniać minimalne straty elektryczne, równomierny rozkład mocy względem poszczególnych faz, a także posiadać minimalną impedancję. Przyjmuje się, że reaktancje transformatorów wraz z dławikiem mają jednakowe reaktancje indukcyjne w każdej z faz układu zasilania [13]. Przykładowy układ zasilania pieca łukowego prądu przemiennego średniej mocy, wraz z urządzeniem kompensacyjnym, filtrującym i stabilizującymi łuk podano na rysunku 1.2. 1. piec łukowy, 2. elektrody, 3. tor wielkoprądowy, 4. transformator piecowy, 5. dławik, 6. wyłącznik, 7. odłącznik, 8. przekładnik prądowy, 9. przekładnik napięciowy, 10. układ kompensacji mocy biernej, filtracji wyższych harmonicznych, 11. łącznik zawierający dławik, 12. odgromnik. Rysunek 1.2: Schemat elektryczny układu zasilania elektrycznego pieca łukowego prądu przemiennego [12]. Wpływ na sieć zasilającą Piece łukowe prądu przemiennego zaliczane są do odbiorników skupionych dużej mocy, o nieliniowych charakterystykach dynamicznych. W stosunku do sieci zasilającej stanowią one obciążenie silnie nieliniowe, z wyraźnie zmiennymi stanami elektrycznymi. Występująca niestabilność palenia łuku zwłaszcza w początkowych fazach wytopu stali powoduje stochastyczne zmiany prądu zasilania pieca, co czyni go odbiornikiem najbardziej niekorzystnym z punktu widzenia obciążenia elektrycznego współczesnej elektroenergetyki. Sformułowaną tezę, o niespokojnym charakterze pieca łukowego prądu przemiennego uzasadniają przykładowe oscylogramy rejestrowanych wielkości. 15.

(16) ROZDZIAŁ 1: STANY EKSPLOATACYJNE W UKŁADACH PRZEMYSŁOWYCH. elektrycznych, w tym szybkie zmiany oraz niska wartość współczynnika mocy wykonane dla pieca łukowego AC-EAF o mocy 60 MVA/Mg [14]. Niestabilną pracę pieca potwierdza również duża szybkość zmian prądu i napięcia zasilania, rysunek 1.3. Niesymetryczne obciążenie faz transformatora piecowego, w tym także złożone widmo harmonicznych w początkowej oraz końcowej fazie cyklu technologicznego rzędu: 2., 3., 5. i 7. względem częstotliwości zasilającej [11], [13], zaprezentowano na rysunku 1.4.. a.\. b.\. c.\ Rysunek 1.3: Wartości chwilowe: a.\ prądu, b.\ napięcia, c.\ mocy czynnej, biernej i pozornej podczas pracy pieca łukowego prądu przemiennego AC-EAF 60 [14]. Praktyka eksploatacji systemów zasilania pieców łukowych prądu przemiennego pokazała, że wielokrotne komutacje technologiczne zachodzące w układzie, dosyć często stają się przyczyną uszkodzenia elementów składowych zainstalowanego układu filtrującego. Generowane amplitudy prądów i napięć wielokrotnie przewyższają wartości znamionowe i ustalone baterii kondensatorów oraz dławików układów kompensacyjnych. Dodatkowo wyłączeniom technologicznym transformatorów piecowych towarzyszą przepięcia, których zbyt duża amplituda prowadzi do uszkodzenia izolacji jednostek trójfazowych. Zjawisko jest często spotykane gdy w układzie zastosowano wyłącznik próżniowy lub z sześciofluorkiem siarki. Czas rozwarcia styków oraz gaszenia łuku elektrycznego w komorach tych łączników jest zdecydowanie krótszy, co ostatecznie prowadzi do bezpośredniego rozładowania zgromadzonej energii bezpośrednio na transformatorze. W przypadku wyłączników starszego typu, zjawisko tego rodzaju nie zachodzi, lecz styki łączników ulegają stopniowemu uszkodzeniu. Odkształcony prąd pracującego pieca cechuje losowo zmienna w czasie zawartość wyższych harmonicznych, która w zależności od wartości mocy zwarcia w punkcie wspólnego przyłączenia pieca łukowego AC, może powodować silne odkształcenia i fluktuacje napięcia zasilania. W skrajnym przypadku, przy małej wartości mocy zwarcia systemu elektroenergetycznego, taka. 16.

(17) ROZDZIAŁ 1: STANY EKSPLOATACYJNE W UKŁADACH PRZEMYSŁOWYCH. sytuacja może doprowadzić do wystąpienia niekorzystnego zjawiska zwanego migotaniem światła [15], [16].. a.\. b.\ Rysunek 1.4: Widmo wyższych harmonicznych prądu oraz napięcia dla a.\ początkowej, b.\ końcowej fazy cyklu technologicznego wytopu stali w piecu łukowym prądu przemiennego AC-EAF 60 [14]. Z doświadczenia wiadomo [4], [13], [14], [16], iż piece łukowe nie stanowią z reguły istotnych problemów w zakresie odkształcenia napięcia, porównując je m.in. do urządzeń energoelektronicznych. Powyższa zależność tyczy się jednak przede wszystkim energetyki zawodowej. W przypadku sieci wewnętrznych zakładów przemysłowych często obserwuje się problemy podczas współpracy z bateriami kondensatorów o błędnie wyznaczonych mocach znamionowych, a także nieprawidłowo dobranej częstotliwości rezonansu szeregowego baterii kondensatorów z dławikami przeciw rezonansowymi [4]. Duża liczba zachodzących procesów przejściowych oraz szybkie zmiany profilu mocy będące odzwierciedleniem prądu pieca, w każdym z cyklów komutacyjnych zachodzących na danym etapie roztapiania metalu informują o bezwzględnej konieczności stosowania układów kompensacyjnych wraz z instalacją baterii kondensatorów. Jak można zaobserwować, podczas każdego stadium pracy istnieje potrzeba korekty współczynnika mocy a także ograniczenia wahań i stabilizacji napięcia zasilania. Stąd, najskuteczniejszą poprawę parametrów jakościowych energii elektrycznej w systemach zasilania elektrycznych pieców łukowych prądu przemiennego uzyskuje się stosując układ tyrystorowych kompensatorów statycznych SVC [ang. Static Var Compensator] wraz z zastosowaniem baterii kondensatorów stacjonarnych, z możliwością regulacji mocy biernej (z zastosowaniem kilku członów regulacyjnych) [4]. Eksploatacja tego typu układów zasilania wykazuje, że zapewniają one dynamiczną kompensację mocy biernej, wprowadzają symetryzację napięć i prądów, a także zmniejszają wahania napięcia. Z kolei zastosowany układ filtrujący FC [ang. Filter Circuit] wraz z układem SVC, skutkuje ograniczeniem zniekształcenia napięć w sieci zasilającej.. 1.1.2 Spawarki dużej mocy Podstawową grupą urządzeń spawalniczych wykorzystywanych w przemyśle są spawarki elektryczne, których źródłem prądu spawania jest transformator spawalniczy zasilany napięciem sieciowym jednofazowym lub trójfazowym (w zależności od mocy oraz prądu spawania). Nowoczesną grupę urządzeń stanowią spawarki inwerterowe, których zasada działania oparta jest o przetwornicę napięcia (inwerter) pracującą przy podwyższonej częstotliwości. Jedną z odmian 17.

(18) ROZDZIAŁ 1: STANY EKSPLOATACYJNE W UKŁADACH PRZEMYSŁOWYCH. wykorzystujących tego typu układy energoelektroniczne są dosyć powszechnie stosowane w przemyśle urządzenia spawające metodą GMAW [ang. Gas Metal Arc Welding], pośród których dosyć dużą grupę stanowią urządzenia tyrystorowe [17]. Budowa oraz zasada działania W obu metodach spawania łuk elektryczny wytwarzany jest między materiałem spawanym a elektrodą topliwą w postaci drutu spawalniczego, który jednocześnie pełni funkcję spoiwa. Wartość wyjściowa napięcia urządzeń spawalniczych z chwilą łączenia elementów powinna zawierać się w przedziale 20 - 40V, z kolei wartość prądu waha się w przedziale 30 - 1000 A [17], [18], rysunek 1.5.. a.\. b.\ Rysunek 1.5: Oscylogramy a.\ prądu, b.\ napięcia podczas procesu spawania elektrycznego [19]. Praca urządzenia spawalniczego objawia się chaotyczną zmianą oraz silnymi fluktuacjami prądu oraz napięcia. Podczas pełnego cyklu spawania elektrycznego, z chwilą łączenia termicznego elementów generowane są do sieci zasilającej impulsy prądowe o dużych stromościach narastania oraz krótkim czasie trwania. W konsekwencji powoduje to powstawanie krótko trwających stanów przejściowych, które oprócz odkształcenia podstawowej krzywej napięcia zasilania, negatywnie wpływają na wartość oraz stabilizację napięcia systemu zasilania. W przypadku małej mocy zwarciowej układu oraz dużej mocy zainstalowanych urządzeń spawalniczych, taka sytuacja może spowodować duże wahania napięcia wraz z możliwością wystąpienia migotania światła. Konieczność zastosowania urządzeń kompensacyjnych podczas pracy urządzeń spawalniczych różnego typu wynika z poboru dużej wartości prądu w obwodzie wtórnym, czego skutkiem są znaczne obniżenia napięcia oraz straty energii. Transformatory spawalnicze na skutek dużej indukcyjności pracują przy małej wartości współczynnika mocy cosφ. Oddziałują zatem bardzo niekorzystnie na gospodarkę energetyczną zakładowej sieci zasilającej. Podobną sytuację obserwuje się wskutek działania spawarek inwerterowych, które na skutek dużej częstotliwości przełączeń wynikających z prądu spawania, pracują przy bardzo niskim współczynniku mocy, tabela 1.2.. 18.

(19) ROZDZIAŁ 1: STANY EKSPLOATACYJNE W UKŁADACH PRZEMYSŁOWYCH. Tabela 1.2: Współczynniki mocy urządzeń spawalniczych różnego typu Moc znamionowa Typ urządzenia spawarki spawalniczego: kVA Spawarki łukowe transformatorowe 2 - 60 Spawarki łukowe 1-fazowe statyczne do 10 Spawarki łukowe generatorowe 5 - 10 Spawarki prostownikowe 2 - 60 Spawarki wirujące nieobciążone 2 - 60 Spawarki wirujące obciążone 2 - 60 Spawarki: - do spawania punktowego i liniowego do 1,5 - do spawania stykowego 0,6 - 3 Transformatory spawalnicze: - do spawania automatycznego 20 - 500 - do spawania ręcznego, jednostanowiskowego 50 - 250 - do spawania wielostanowiskowego 60 - 120 Przetwornice spawalnicze 4 - 10. Współczynnik mocy cosφ 0,46 0,50 0,70 - 0,90 0,50 - 0,60 0,25 - 0,30 0,80 - 0,90. Współczynnik tgφ 1,93 1,73 1,02 - 0,49 1,73 - 1,33 3,87 - 3,18 0,75 - 0,49. 0,60 0,70. 1,33 1,02. 0,50 0,40 0,50 0,40 - 0,60. 1,73 2,29 1,73 2,29 - 1,33. Układ zasilania W przypadku spawarek transformatorowych zasilanie transformatora spawalniczego obniżającego napięcie i jednocześnie zwielokrotniającego natężenie prądu elektrycznego odbywa się z obwodów jedno- lub trójfazowych. W zależności od mocy oraz prądu spawania, mogą być wykonane jako stacjonarne (wolnostojące) lub w wykonaniu małogabarytowym umożliwiającym transport. W przypadku urządzeń spawalniczych inwerterowych stosowane są różne rozwiązania. Najczęściej są to urządzenia oparte o urządzenia energoelektroniczne typu: diody, tyrystory mocy lub z wewnętrzną zmianą częstotliwości i zasilane zazwyczaj z sieci trójfazowej niskiego napięcia 0,4 kV. W przypadku łączników sterowanych oraz niesterowanych urządzenia tego typu projektowane są w oparciu o mostki trójfazowe, sześciopulsowe. Na rysunku 1.6 pokazano przykładowy układ zasilania urządzenia spawalniczego umożliwiającego spawanie prądem maksymalnym o natężeniu 500 A.. Rysunek 1.6: Uproszczony schemat ideowy urządzenia spawalniczego typu GMAW [18]. Wpływ na sieć zasilającą Praca urządzeń spawalniczych w sieciach elektroenergetycznych wpływa niekorzystnie na parametry jakościowe energii elektrycznej. W obu przypadkach odbiorniki te można sklasyfikować jako odbiory o zmiennym obciążeniu szczególnie biernym, a więc urządzenia niekonwencjonalne. W przypadku urządzeń spawalniczych opartych na transformatorze spawalniczym, w pewnych warunkach pracy (tj. podczas łączenia dwóch trudnotopliwych materiałów) zachodzi konieczność ustawienia wysokiej wartości prądu pracy. W takich warunkach istnieje duże prawdopodobieństwo, 19.

(20) ROZDZIAŁ 1: STANY EKSPLOATACYJNE W UKŁADACH PRZEMYSŁOWYCH. że punkt pracy zostanie ulokowany w obszarze nasycenia krzywej magnesowania i tym samym odkształcenia prądu magnesującego. Spawarka w tych warunkach staje się więc źródłem emisji wyższych harmonicznych do sieci zasilającej, rysunek 1.7c. Dodatkowo każdy cykl spawania można podzielić na czas zwarcia: tsc - w którym następuje łączenie elementów (zwarcie elektrody z łączonymi materiałami) oraz czas palenia się otwartego łuku elektrycznego: tarc - gdzie obserwuje się silne fluktuacje prądu spawania oraz napięcia. Przy czym jak można zaobserwować na rysunku 1.7b, każdy cykl różni się od poprzedniego, przez co nie uzyskuje się stałej częstotliwości prądu zwarcia: fsc = 1/(tsc + tarc) podczas spawania. Dla każdego stadium pracy spawarki odkształcenia te oddziałują na stronę wtórną transformatora spawalniczego, a przenosząc się na stronę pierwotną mogą skutkować powstawaniem wahań napięcia i tym samym wzrost współczynnika migotania światła Pst. W niekorzystnych warunkach pracy, mogą również przyczynić się do powstania asymetrii napięć trójfazowego systemu zasilania, rysunek 1.7a.. a.\. b.\. c.\ Rysunek 1.7: Oscylogramy prądu oraz napięcia a.\ sieci (strony pierwotnej transformatora), b.\ łuku elektrycznego, c.\ widma harmonicznych urządzenia spawalniczego opartego na transformatorze spawalniczym [17], f = 60Hz. Praca spawarek opartych o elementy energoelektroniczne również wpływa negatywnie na parametry jakościowe energii elektrycznej oraz stany przejściowe. W tym przypadku jednak na skutek pracy łączników energoelektronicznych inwertera czas zwarcia oraz otwartego łuku elektrycznego są równe, co znacznie ogranicza amplitudę prądu spawania. Częstotliwość impulsów układu sterującego jest odwrotnie proporcjonalna do sumy czasu trwania impulsu sterującego oraz czasu pomiędzy następującymi po sobie kolejnymi impulsami sterującymi: fp = 1/(tb + tp). Jest równa liczbie impulsów prądu, które występują w czasie jednej sekundy. Wskutek jej ograniczenia 20.

(21) ROZDZIAŁ 1: STANY EKSPLOATACYJNE W UKŁADACH PRZEMYSŁOWYCH. obserwujemy niższe poziomy odkształceń napięcia zasilania, a tym samym niższy współczynnik migotania światła, rysunek 1.8b. Na skutek generowanego prądu pulsującego (z pojedynczą lub podwójną pulsacją) następuje ograniczenie, a wręcz całkowity zanik zwarć, co jednak skutkuje odkształceniem przebiegu napięcia zasilającego a także wzrost harmonicznych prądowych, rysunek 1.8c.. a.\. b.\. c.\ Rysunek 1.8:Oscylogramy prądu oraz napięcia a.\ sieci (strony pierwotnej transformatora), b.\ łuku elektrycznego, c.\ widma harmonicznych pracy urządzenia spawalniczego typu inwerterowego [20], f = 60Hz. Przekształtnik dzięki swojej strukturze nie ma możliwości magazynowania energii, przez co udarowe zmiany obciążenia są w konsekwencji w całości pokrywane przez wewnętrzną sieć zakładową. Dodatkowo niekorzystną cechą jest również przesuwanie fazy podstawowej harmonicznej prądu pobieranego z sieci względem fazy napięcia, podczas zachodzących zmian kątów wysterowania zaworów energoelektronicznych oraz w skutek zjawiska komutacji [21]. Tak więc, zasilanie regulowanych przekształtników powoduje problemy z gospodarką mocą bierną oraz powoduje konieczność zastosowania kompensatorów w sieci zasilającej [22], tabela 1.3. Tabela 1.3: Porównanie poziomów odkształcenia prądu zasilania mostków sześciopulsowych Poziom odkształceń prądowych Rodzaj przekształtnika THDI sześciopulsowego % Prostownik z filtrem pojemnościowym, bez szeregowej indukcyjności 80 Prostownik z filtrem pojemnościowym i szeregowym dławikiem > 3% 40 Przekształtnik z dławikiem o dużej indukcyjności 28. 21.

(22) ROZDZIAŁ 1: STANY EKSPLOATACYJNE W UKŁADACH PRZEMYSŁOWYCH. 1.1.3 Napędy prądu stałego i przemiennego Zaletami napędów prądu stałego jest łatwość konfigurowania regulacji prędkości ze sprzężeniem prądowym oraz prędkościowym, umożliwiającym dokładną realizację zadanego reżimu prędkości wynikającą z procesu technologicznego. Ponadto cechują się szeroką możliwością przełączania struktur układu regulacji podczas pracy, mając na celu uzyskanie optymalnych w danej chwili parametrów dynamicznych [23], [24]. Z kolei silniki indukcyjne prądu przemiennego, w tym m.in.: pomp, sprężarek, wentylatorów oraz innych mniejszych maszyn np.: drzwi z napędem elektrycznym, przenośników taśmowych itp. uznawane są za wysoce niezawodne i ekonomiczne źródło przemysłowego napędu stacjonarnego. W porównaniu z silnikami prądu stałego, charakteryzują się prostszą budową oraz mniejszą liczbą części ruchomych. Odznaczają się również większą niezawodnością pracy, a koszty poniesione na ich naprawy oraz remonty są zdecydowanie mniejsze. Dostępne przemienniki częstotliwości pozwalają na budowę układów napędowych, których właściwości dynamiczne dorównują układom napędowym z silnikami prądu stałego. Budowa, zasada działania oraz układ zasilania Napędy prądu stałego Schemat połączeń przykładowego napędu prądu stałego zasilanego z wykorzystaniem prostownika sterowanego, sześciopulsowego zamieszczono na rysunku 1.9.. Rysunek 1.9: Przykładowa struktura zasilania napędu prądu stałego z silnikiem obcowzbudnym. W przypadku tego typu napędów, silnik obcowzbudny zasilany z przekształtnika tworzy obwód główny, przy czym w najprostszej konfiguracji reprezentuje go jeden przekształtnik – mostek sterujący regulujący pracę jednego silnika. Układ może być jednak bardziej rozbudowany, a w konfiguracji mogą zostać zastosowane dwa przekształtniki połączone szeregowo i tworzące układ dwunastopulsowy – dla jednego silnika. Istnieje również możliwość połączenia dwóch przekształtników sześciopulsowych naprzemiennie szeregowo z dwoma silnikami prądu stałego, pracujących w tzw. układzie Punga [23], [25]. W tabeli 1.4 zestawiono wartości typowych współczynników mocy popularnych urządzeń napędzanych silnikami prądu stałego różnych mocy. Sumaryczny współczynnik mocy urządzeń wyposażonych w napęd prądu stałego jest dosyć niski, co potwierdza konieczność stosowania kompensacji mocy biernej. Sposób instalacji kompensatora w postaci regulowanej baterii kondensatorów wynika ze sposobu zasilania urządzeń oraz rodzaju cyklu technologicznego w jakim uczestniczą napędy prądu stałego.. 22.

(23) ROZDZIAŁ 1: STANY EKSPLOATACYJNE W UKŁADACH PRZEMYSŁOWYCH. Tabela 1.4: Współczynniki mocy typowych urządzeń wyposażonych w napęd prądu stałego DC Współczynnik mocy Współczynnik Typ urządzenia cosφ tgφ napędzanego silnikiem prądu stałego: Silniki elektryczne do napędu obrabiarek do metali: - w zakładach cieplnej obróbki metali przy produkcji 0,65 1,17 wielkoseryjnej i taśmowej - w zakładach zimnej obróbki metali przy produkcji 0,50 1,73 małoseryjnej i nieseryjnej, - w zakładach zimnej obróbki metali przy produkcji 0,50 1,73 wielkoseryjnej i taśmowej Dźwigi, suwnice 0,50 1,73 Silniki elektryczne do napędu maszyn wyciągowych 0,40 - 0,50 2,29 - 1,73. Napędy prądu przemiennego Regulowane napędy prądu przemiennego zasilane są najczęściej z pośrednich przemienników częstotliwości, rysunek 1.10 w których przetwarzanie energii odbywa się dwustopniowo z wykorzystaniem obwodu napięcia bądź prądu stałego. Obwód główny, silnoprądowy tworzą: prostownik, obwód pośredniczący napięcia stałego (lub prądu) oraz falownik. W niektórych rozwiązaniach przemiennika spotyka się również filtr częstotliwości zapobiegający powstawaniu stanów przejściowych – przepięć podczas komutacji, a w przypadku układów nawrotnych, stosuje się prostownik nawrotny (układ hamowania) z tyrystorem bocznikującym, dzięki któremu uzyskujemy dodatkową możliwość zwrotu energii do sieci podczas hamowania [25], [26]. Do często stosowanych przez producentów, indywidualnych algorytmów sterowania wektorowego można zaliczyć m.in: DVC - Direct Vector Control, VVC – Voltage Vector Control, DTC – Direct Torque Control [26], [27], [28].. Rysunek 1.10: Przykładowa struktura zasilania napędu prądu przemiennego o regulowanej prędkości obrotowej zasilanego z wykorzystaniem przemiennika częstotliwości (elementy opcjonalne wskazano kolorem szarym). W tabelach 1.5 i 1.6 wskazano typowe wartości współczynnika mocy silnika indukcyjnego podczas zmian obciążenia na wale maszyny oraz typowych napędów prądu przemiennego stosowanych w przemyśle ciężkim [29]. Tabela 1.5: Zmiana współczynnika mocy napędu prądu przemiennego w zależności od obciążenia Obciążenie silnika Współczynnik mocy Współczynnik Napęd cosφ tgφ prądu przemiennego % 0 0,17 5,80 Typowy silnik indukcyjny 25 0,55 1,52 przy obciążeniu 50 0,73 0,94 75 0,80 0,75 100 0,85 0,62. 23.

(24) ROZDZIAŁ 1: STANY EKSPLOATACYJNE W UKŁADACH PRZEMYSŁOWYCH. Tabela 1.6: Współczynniki mocy typowych napędów prądu przemiennego Współczynnik mocy Typ urządzenia cosφ napędzanego silnikiem prądu przemiennego Silniki elektryczne do napędu wentylatorów, pomp, sprężarek 0,75 o mocy do 100kW Silniki elektryczne do napędu przenośników taśmowych: - niezblokowane 0,75 - zblokowane 0,75 Urządzenia dźwigowe (praca przerywana ɛ = 25%): - w kotłowniach, zakładach remontowych, montażowych, 0,50 - w odlewniach 0,50 - dla pieców martenowskich 0,50 - w walcowniach 0,50 Napędy młotów, maszyn kowalskich, zgniataczy 0,65. Współczynnik tgφ 0,88 0,88 0,88 1,73 1,73 1,73 1,73 1,17. Praca napędu prądu przemiennego pociąga za sobą konieczność kompensacji mocy biernej. Koszt poprawy warunków pracy, a tym samym parametrów jakościowych energii wewnętrznego systemu zasilania jest proporcjonalny do rzędu mocy zainstalowanego napędu AC. Tezę tą potwierdza tabela 1.6 charakteryzująca wartości współczynnika mocy typowych urządzeń oraz napędów prądu przemiennego znajdujących powszechne zastosowanie w przemyśle górniczym, hutniczym oraz energetyce zawodowej. Wpływ na sieć zasilającą Napędy prądu stałego oraz przemiennego o regulowanej prędkości obrotowej w warunkach normalnej pracy są źródłem odkształceń generowanych do sieci zasilającej. Pogorszenie jakości energii elektrycznej wynika przede wszystkim z procesu konwersji napięcia przemiennego (AC) na stałe (DC) a także sterowania łączników mocy. Napędy prądu stałego Wykorzystanie oraz modyfikacja sterowania napędów prądu stałego poprzez zastosowanie przekształtników statycznych z układami mikroprocesorowymi z jednej strony umożliwia precyzyjną regulację prędkości obrotowej, z drugiej jednak strony powoduje negatywne oddziaływanie układu na sieć zasilającą. Praca napędu przekształtnikowego prądu stałego powoduje zwiększony pobór mocy biernej przez zainstalowane w układzie sterowania przekształtniki statyczne. W dodatku rozruchom i zmianom prędkości obrotowej tych maszyn towarzyszy występowanie częstych udarów prądowych – stanów przejściowych, których amplitudy o dużych stromościach narastania negatywnie wpływają na układ oraz sieć zasilającą [23], [24]. Stają się bezpośrednią przyczyną skokowych odchyleń, zmian oraz wahań napięcia systemowego co zakłóca pracę pozostałych odbiorników. Załamania komutacyjne przyczyniają się do wahania napięcia, w tym również do asymetrii napięć układów trójfazowych. Praca napędów prądu stałego, na skutek sterowania zaworami (tyrystorowymi/tranzystorowymi) prowadzi również do występowania w obwodzie wyższych harmonicznych. Przy czym odkształcenie prądu sieci zasilającej zależy ściśle od zastosowanego w strukturze rodzaju przekształtnika. Rysunek 1.11 przedstawia przykładowe oddziaływanie napędu prądu stałego o mocy 630 kW, opartego na strukturze mostka 6-cio pulsowego z dodatkową indukcyjnością zainstalowaną między łącznikami a źródłem. Wynikiem pracy umiarkowanie obciążonego napędu jest odkształcenie przebiegu prądu na poziomie 31,51%.. 24.

(25) ROZDZIAŁ 1: STANY EKSPLOATACYJNE W UKŁADACH PRZEMYSŁOWYCH. a.\. b.\ Rysunek 1.11: Przykładowy oscylogram: a.\ prądu (THDI = 31,51%), b.\ widmo harmonicznych prądu napędu prądu stałego o mocy 630 kW [30]. Przy stosunkowo dużej prędkości oraz wysokim momencie obrotowym maszyn prądu stałego, napęd tego typu, będzie powodował mniejsze odkształcenia napięcia sieci zasilającej niż sterowany napęd prądu przemiennego o zbliżonej wartości mocy oraz obciążenia. Jednak na skutek zmniejszenia prędkości obrotowej oraz ciągłego zapotrzebowania na wysoki moment obrotowy, układ sterowania zaworów przekształtnika spowoduje wzrost poziomu wyższych harmonicznych w linii zasilającej [25]. Na skutek sterowania (przełączania) łączników energoelektronicznych tranzystorów lub tyrystorów mocy układów przekształtnikowych napędów prądu stałego oraz dużej mocy napędów prądu przemiennego, w napięciu zasilania powstają chwilowe zapady [ang. linie notching] [27], [30]. Ich liczba zależy od typu zastosowanego przekształtnika w tym m.in. dla mostka 6-cio pulsowego liczba zapadów napięcia wynosi 6 razy na cykl pracy układu i jest wynikiem komutacji prądu obciążenia odpowiedniej pary zaworów do następnej. Podczas tego procesu, sieć zasilająca napęd znajduje się w stanie zwarcia, którego czas jest funkcją wyjściowego prądu stałego łącznika oraz całkowitej indukcyjności systemu zasilania. Głębokość chwilowego zapadu napięcia ściśle zależy od odległości od źródła zasilania. Im dalej znajdują się zaciski prostownika mostkowego, tym mniej uciążliwe są chwilowe zmiany napięcia powodujące odkształcenie napięcia oraz chwilowy stan przejściowy. Przykładowy stan przejściowy jakim jest zmiana napięcia zasilania przedstawiono na rysunku 1.12. Zjawisko chwilowych zmian napięcia podczas sterowania łącznikami przekształtnika może na skutek stanów przejściowych linii spowodować wahania, a także krótkotrwałe przepięcia w systemie zasilania przemysłowego. W konsekwencji jednak może przyczynić się nawet do uszkodzenia napędu.. 25.