Elspec řešení v oblasti kvality elektrické energie

V dnešní době masového nasazování elektrických pohonů s frekvenčními měniči s napěťovým střídačem a spínaných napájecích zdrojů se objevuje problém s kvalitou el. energie v síti. Tyto zařízení jsou díky odběru neharmonického proudu zdrojem nízkofrekvenčního rušení. Neharmonický proud způsobuje úbytky napětí na impedancích sítě, což vede k deformaci napěťové křivky. Deformované napětí v síti pak může mít za následek nečekané výpadky a snížení životnosti jednotlivých zařízení. Kromě samotné analýzy kvality elektrické energie se v článku seznámíte i s analyzátorem kvality elektrické energie Elspec.

Autor: Ing. Pavel Mareš

Publikováno: časopis ETM ročník: 2009 číslo: 2 strana: 46

Verze v PDF: Elspec řešení v oblasti kvality elektrické energie

V dnešní době masového nasazování elektrických pohonů s frekvenčními měniči s napěťovým střídačem a spínaných napájecích zdrojů se objevuje problém s kvalitou el. energie v síti. Tyto zařízení jsou díky odběru neharmonického proudu zdrojem nízkofrekvenčního rušení. Neharmonický proud způsobuje úbytky napětí na impedancích sítě, což vede k deformaci napěťové křivky. Deformované napětí v síti pak může mít za následek nečekané výpadky a snížení životnosti jednotlivých zařízení. Dále nesmíme zapomenout, že na mechanické práci se podílí jen 1. harmonická složka napětí (50 Hz). Všechny ostatní složky způsobují pouze ztráty. Znalostí kvality sítě lze tedy předejít neočekávaným událostem, vyhledat kde se objevují problémy, optimalizovat odběry el. energie a v neposlední řadě se vyhnout konfliktu s dodavatelem elektrické energie.

Abychom byli schopni tyto problémy řešit, musíme kvalitu el. energie v síti znát. Kvalita elektrické energie je definovaná několika základními parametry.
Nejdůležitějšími z nich jsou přepětí, podpětí a výpadky napětí, dále pak přechodné jevy, napěťové nevyvážení, flicker a obsah harmonických složek. K účelu měření těchto parametrů je na našem trhu celá řada analyzátorů, které tyto problémy komplexně řeší. Ty je možné rozdělit do dvou základních skupin a to na analyzátory ruční, přenosné, vhodné především pro údržbu výrobních zařízení a na analyzátory pevně instalované. Tyto analyzátory bývají instalovány v důležitých distribučních uzlech, například trafostanice a rozvodny, kde je potřeba trvale sledovat stav rozvodné sítě. Jedním z takových analyzátorů je analyzátor G4000 Blackbox od společnosti ELSPEC.
Jedná se o systém skládající se z několika modulů (viz obr 2.)

Obr. 2 Analyzátor Elspec G4000

Jedním z nich je napájecí zdroj, dalším je modul pro měření napětí a proudů a třetím je modul počítače určený pro komunikaci a zpracování a ukládání naměřených dat. Dále jsou k dispozici moduly pro bezdrátovou komunikaci nebo modul ovládací a zobrazovací jednotky. Instalace přístroje je velmi jednoduchá. Napětí se měří přes vstupní napěťové svorky. Součástí měřícího modulu jsou i měřící proudové transformátory s rozsahem 0 - 10 A. Těmito transformátory stačí pouze protáhnout sekundární vodiče měřících proudových transformátorů, kterými bývá vybavena každá rozvodna.

Unikátní způsob záznamu naměřených dat
Jak již bylo řečeno, na našem trhu je celá řada analyzátorů. Přenosných, pevně instalovaných, analyzátorů určených především pro monitoring sítě, nebo ručních analyzátorů používaných při měření v údržbě elektrických zařízení. Co mají ale společné, je způsob vyhodnocení a záznamu naměřených dat.
Konvenční způsob probíhá následovně. Analyzátor měří data na všech napěťových i proudových kanálech, ta pak podle normy, nebo podle způsobu definovaného uživatelem vyhodnocuje a výsledky ukládá do paměti.
Uživatel pak ztrácí veškerou návaznost mezi vyhodnocenými výsledky a skutečně naměřenými daty.

Ztrácí tak možnost vyhodnotit data jiným způsobem, nebo se zpětně podívat na naměřené hodnoty.
Naprosto unikátní je v tomto ohledu analyzátor Blackbox G4000 od společnosti Elspec. Narozdíl od výše popisovaného způsobu, vytváří analyzátor Elspec nepřetržitý záznam všech napětí a proudů se vzorkovací rychlostí až 1024 vzorků na jednu periodu měřeného signálu (při 50 Hz 20 ms). Díky tomu je schopen zachytit i krátké přechodné děje. Výstupem měření je ale obrovské množství dat. Aby bylo možné tato data uložit a dále s nimi pracovat musí být komprimovány.

K tomu slouží speciální patentovaná procedura PQZIP společnosti ELSPEC. V případě, že jsou vstupní veličiny v ustáleném stavu je komprimace maximální a není potřebné ukládat tak velké množství vzorků. Objeví li se v síti například krátký přechodový děj, má procedura dostatečný počet vzorků, aby bylo možné tento děj věrně zaznamenat a uložit do paměti. Můžeme tedy říci, že analyzátoru žádná událost v síti neunikne.

Naměřená data jsou ukládána na paměťovou kartu. Díky komprimaci je možné uložit spojitý záznam všech napětí a proudů o délce až jeden rok. Paměťovou kartu je možné vyjmout. Pro přímé stahování dat a pro ovládání je analyzátor vybaven ethernetovým rozhraním. Po připojení do ethernetové sítě se chová jako server s vlastní IP adresou. Na něj je pak možné přistupovat přes prohlížeč z jakéhokoli místa v síti, ovládat ho, stahovat a prohlížet data.

Obr. 3 Půlroční, pětidenní a pětisekundový záznam trendu napětí

Obrázek 3 zachycuje záznam trendu napětí.

Od shora nejprve půlroční interval, níže pětidenní interval a dole pětisekundový interval.

Na obrázku 4 je pak zachycen záznam několika period síťového napětí s poklesem o délce cca tří period. Zaznamenaná data lze pak pomocí software dále analyzovat z hlediska kvality el. energie a porovnávat stav například s požadavky normy ČSN EN 50160. Jde například o vyhodnocení harmonických, výkyvů napětí, přechodných dějů, nevyvážení sítě a flickeru.

Obr. 4 Záznam poklesu napětí o délce tří period

Monitoring sítě - Systémové řešení Elspec Blackbox G4000
Univerzální a snadno modifikovatelné řešení vnáší Elspec i do oblasti monitoringu celého závodu, nebo významných distribučních uzlů, kterými může být například hlavní přívod do závodu na straně VN, hlavní transformátor a podružné transformátory a rozvaděče a pod. Všechny analyzátory mohou být trvale připojeny do místní počítačové sítě, ať už přes kabel, nebo bezdrátově pomocí modulu pro bezdrátový přenos Wi-Fi. Na každý z nich lze přistupovat jako na webový server. V tomto režimu máme možnost sledovat aktuálně měřené hodnoty, nebo provádět veškerá nastavení analyzátoru. Každý analyzátor nepřetržitě měří sledované veličiny a ukládá je na vlastní paměťovou kartu s kapacitou až jeden rok plného záznamu.

Přenos dat z paměťových karet analyzátorů do počítače zajišťuje databázový program PQSCADA,
který buďto pravidelně, nebo ve chvíli připojení analyzátoru do sítě automaticky přesunuje naměřená data. Zpětné prohlížení naměřených dat se pak provádí
pomocí softwareu Investigator. V tomto programu máme možnost načítat, zobrazovat a vyhodnocovat naměřená data ve zvoleném časovém intervalu. Dále můžeme v jednom okně porovnávat data z různých analyzátorů. Časová synchronizace mezi jednotlivými analyzátory probíhá buďto přes síť, nebo přes modul GPS. Způsob vyhodnocení naměřených dat je vysvětlen na následujícím příkladu.

Příklad nasazení analyzátoru Elspec G4000
Na následujícím příkladu bych rád popsal jednu z mnoha možností využití analyzátoru Elspec G4000.
Před časem nás oslovila jedna společnost z potravinářského odvětví s tím, že ve svém závodě mají problémy s kolísáním napětí a výpadky sítě. Vzhledem k tomu, že se závod nachází na odlehlém konci distribuční sítě, vzniklo podezření, že výpadky a poklesy napětí přicházejí z venčí. Po dohodě byl do hlavního rozvaděče nainstalován analyzátor G4000 po dobu nutnou pro týdenní monitoring. Byla sledována všechna
fázová napětí i proudy. Na několika následujících obrázcích jsou znázorněny výsledky tohoto měření.

Na obrázku 5.a je zachycen týdenní záznam napětí a proudu. Velikost proudového odběru se nejčastěji pohybuje v rozmezí 100 až 300 A. Na první pohled si všimneme, že v odběru proudu se objevuje řada špiček, s tím jsou spojené i poklesy napětí. Proudové špičky dosahují hodnoty přes 800 A a trvají po dobu cca 200ms. Na obrázku 5.b je pak jednodenní záznam trendu napětí a proudu. Z obrázku je zřejmé, že 24.09.08 v půl páté ráno došlo k výpadku napětí. K výpadku došlo zřejmě díky špičkovému odběru proudu, když velikost proudu přesáhla hodnotu 900 A. Na obrázku 5.c je zachycen časový výřez zmiňovaného výpadku. Tento výpadek trval cca 7 minut. Poslední obrázek 5.d kromě trendu zachycuje i detailní záznam časových průběhů napětí a proudu v okamžiku předcházejícímu výpadku. Všimneme si, že nárůst proudu se ve skutečnosti skládá ze dvou částí. V první fázi proud vzroste z hodnoty 200 A na hodnotu 400 A. V zápětí dochází k sepnutí další zátěže. Rozběhový proud dosáhne v součtu hodnoty vyšší než 900 A. V tomto okamžiku zasahuje ochrana a odpíná celý uzel od distribuční sítě. V důsledku toho klesá i proud k nule. Jak se zjistilo, příčinou tohoto odběru byly chladící kompresory. V tomto případě byl použit analyzátor Elspec Blackbox G4000 s rychlostí vzorkování 512 vzorků na periodu a pamětí 2 GB.
Instalace je velmi jednoduchá, stačí protáhnout výstup měřících transformátorů skrz transformátory analyzátoru, připojit vstupní napětí a nastavit správné převodní poměry v setupu analyzátoru.

Obr. 5.a Týdenní záznam (trend napětí a proudu)

Obr. 5.b Denní záznam (trend napětí a proudu), 24.9.08 po čtvrté hodině ráno dochází k výpadku

Obr. 5.c Detail výpadku 4:34 až 4:41 - Největší špička proudu z celého týdne, přesahuje 900 A, doba trvání cca 200 ms

Obr. 5.d Napětí a proud na začátku výpadku (v horní části trend v dolní skutečné časové průběhy)

Nový přenosný analyzátor Elspec G4500
V nedávné době Elspec představil novou verzi analyzátoru G4000 v přenosné podobě. Tento přístroj nese označení Blackbox Wireless Mobile G4500.
Principielně se jedná o stejný přístroj jako je pevný analyzátor G4000. Přístroj je ale konstruován jako přenosný a na rozdíl od pevného analyzátoru, kde se
měření proudu provádí přes interní proudové transformátory, je G4500 vybaven vstupy pro připojení
měřicích kleští nebo sond ampflex. Standardně je vybaven pamětí 8 GB a integrovanou kartou Wi-Fi pro snadné připojení k řídícímu počítači. Signál vzorkuje
opět s maximální rychlostí 1024 vzorků na periodu.

Řešení problémů s kvalitou el. energie
Problémy kvality el. energie, především z hlediska harmonických lze řešit mnoha způsoby. Mezi nejčastější z nich patří chráněná kompenzace, zařízení určené ke
kompenzaci účiníku s filtračním účinkem, nebo sinusové filtry. Filtry sice velmi účinně odstraňují harmonické, jsou však velmi nákladné a dochází v nich k velkým tepelným ztrátám. V provozech s frekvenčními měniči se setkáváme většinou s jejich charakteristickými harmonickými. Jiný stav však může nastat například
v automatizovaných svařovnách automobilových závodů. V takových případech je rušení víceméně náhodného charakteru. To je dáno nepravidelnou a
rychle se měnící zátěží. Kolísání napětí se pak projevuje vznikem necharakteristických harmonických. Abychom zamezili kolísání napětí, je nutné tyto kmity
kompenzovat. Reakce kompenzátorů musí být však velice rychlá a to v řádu jedné periody. Společnost ELSPEC nabízí řešení těchto problémů v podobě
zařízení nazývaného Equalizer. Je to systém určený k omezení výkyvů proudu a napětí a filtraci harmonických v mnoha aplikacích s rychle se měnící
dynamickou zátěží. Výhodou tohoto systému je velmi rychlá reakce díky polovodičovým spínačům. Řídící jednotkou je analyzátor který sleduje napětí a zatěžovací
proudy. V případě výkyvu odebíraného proudu je equalizer schopen reagovat v čase odpovídajícímu dvěma třetinám periody síťového napětí. Na obr. 5 je
zachycen průběh napětí a proudu bez kompenzace a s kompenzací pomocí Equalizeru ELSPEC. Můžeme si všimnout, že v případě kompenzace není nárůst proudu odebíraného ze sítě tak významný jako bez kompenzace. Tomu odpovídá i menší pokles napětí.

Obr. 6 Přenosný analyzátor Blackbox Wireless Mobile G4500

Obr. 7 Porovnání průběhu napětí a zátěžného proudu bez kompenzace a s kompenzací pomocí Equalizeru ELSPEC

Na obr. 8 si pak můžeme všimnout účinku na potlačení harmonických složek napětí. Equalizer je systém, který je navržen přímo podle potřeb zákazníka, především z hlediska výkonového dimenzování.
V článku je uveden pouze stručný výčet produktů společnosti ELSPEC. Mimo zmíněné produkty dodává tato společnost i přenosné analyzátory, kompenzátory
jalové energie a filtry. ELSPEC tedy nabízí komplexní řešení v oblasti kvality elektrické energie. Více informací získáte u společnosti Blue Panther, výhradního
distributora společnosti ELSPEC v České republice, nebo na www.blue-panther.cz.

Obr. 8 Filtrační účinek harmonických složek napětí Equalizeru ELSPEC