Efektywne przekształcanie energii i inne zalety napędów niskiego napięcia są dobrze znane. Napędy średniego napięcia zasilane wyższymi napięciami mogą wykonać dużą robotę, a większa skala to większa korzyść.
Napędy średniego napięcia (SN) prądu przemiennego mogą przetworzyć setki razy więcej energii niż napędy niskiego napięcia (nn), pozwalając w ten sposób na kontrolę ogromnych, wielomegawatowych silników elektrycznych, które napędzają największe przemysłowe mechanizmy wykonawcze. Napędy SN są zasilane wyższym napięciem, co ogranicza moc strat i przekroje poprzeczne kabli a zwiększa efektywność energetyczną.
Właściwości napędów średniego napięcia sprawiają, że są chętnie stosowane w specyficznych aplikacjach, np. systemach sterowania z funkcją minimalizacji generowanych harmonicznych. Zależnie od dziedziny przemysłu definicja ?średniego napięcia? przyjmuje różne postacie. Zakres 600 V15 kV dla napędów wydaje się być pewnego rodzaju konsensusem dla rynku globalnego.
Lokalnie sytuacja wygląda trochę inaczej. Autorzy polskich podręczników z zakresu elektroenergetyki średnim napięciem nazywają napięcie w zakresie 630 kV, a czasem 1110 kV. Przepisy polskie rozróżniają jednak dwa podstawowe zakresy napięć: niskie (do 1 kV) i wysokie (powyżej 1 kV). Do przepisów tych dostosowane są także uprawnienia eksploatacji, dozoru i pomiarów urządzeń elektrycznych.
Wracając jednak do tematyki napędów elektrycznych: na rynku znajduje się niewiele napędów średniego napięcia zasilanych napięciem z przedziału 12,3 kV. Najbardziej popularne modele wymagają zasilania napięciem 3,36,6 kV (2,34,16 kV w USA) ? zobacz tabelę.
Moc, napięcie, prąd: P=U*I
Największą zaletą napędów średniego napięcia w stosunku do ich niskonapięciowych odpowiedników jest mniejsze zapotrzebowanie na prąd wynikające z podstawowych praw elektryczności: moc równa jest napięciu pomnożonemu przez prąd (P=U*I). Tim Russell, starszy inżynier w TM GE Automation Systems, podaje przykład: porównajmy dwa napędy o mocy 1000 hp (746 kW) zasilane różnymi napięciami. Napęd średniego napięcia zasilany napięciem 4,16 kV potrzebuje prądu rzędu 125 A, tymczasem jego niskonapięciowy odpowiednik zasilany napięciem 460 V potrzebuje aż 1130 A!
? Kable zasilające średniego napięcia są trochę droższe ze względu na wymagania stawiane izolacji, ale z drugiej strony zawierają mniej miedzi bo płyną przez nie mniejsze prądy ? dodaje Russell. ? W efekcie kable są cieńsze, a straty mocy mniejsze.
Zwiększone koszty kablowania napędów niskiego napięcia nie są niczym obcym także dla Rockwell Automation. Fred Jason, specjalista ds. napędów serii PowerFlex 7000 z Rockwell Automation w Kanadzie, zwraca uwagę na fakt, że porównanie dwóch napędów o tych samych mocach, ale zasilanych z sieci nn/SN, prowadzi zawsze do podobnej konkluzji: napędy niskiego napięcia potrzebują około dziewięciokrotnie większego prądu niż napędy średniego napięcia. ? Wiąże się to z większymi przekrojami poprzecznymi kabli zasilających, korytami kablowymi, a przez to kosztami montażu ? twierdzi Jason.
W ABB możliwość zastosowania cieńszych kabli to ogromna zaleta napędów SN. ? Spadają koszty ze względu na mniejsze zapotrzebowanie na miedź, łatwiej jest też tworzyć instalacje, bo kable po prostu łatwo się wyginają i pasują do mniejszych koryt ? stwierdza Paul Nolden, menedżer ds. napędów SN. ? Cecha ta jest niezwykle istotna w aplikacjach z długimi kablami zasilającymi i silnikowymi: w zdalnych podnośnikach, studniach czy kopalniach.
Możliwość wykorzystania kabli o mniejszym przekroju jest postrzegana jako duża zaleta także w Siemens Industry. ? Klientów trzeba przekonywać o korzyściach finansowych stosowania cieńszych przewodów, bo często nie przywiązują do tego większej wagi ? twierdzi Scott Conner, menedżer aplikacji. ? Czasem klienci nie chcą stosować grubszych kabli niskiego napięcia, ale wynika to raczej z problemów instalacyjnych, a nie chęci poszukiwania oszczędności.
Większa ekonomia powyżej 350 kW
Chociaż napędy średniego napięcia są jedynym praktycznym rozwiązaniem dla pewnego zakresu mocy, istnieje duży zakres mocy, w którym napędy te mogą być ?rozwiązaniem lepszym z ekonomicznego punktu widzenia?. TMEIC GE określa ten przedział jako 3501000 kW, zależnie od aplikacji i branży (zobacz wykres).
Inne przesłanki do stosowania napędów średniego napięcia przedstawione przez TMEIC GE dotyczą aplikacji, w których:
konieczna jest synchronizacja z linią, a w zakładzie dostępne jest zasilanie SN,
źródło zasilania nie ma odpowiedniej wydajności prądowej dla napędu niskiego napięcia (np. ze względu na wysokie prądy rozruchowe ? w napędach SN zjawisko to jest znacznie mniejsze),
kable zasilające silnik mają znaczną długość (>100 m), a ich wielkość, koszt i występujący na nichspadek napięcia jest istotny.
Siemens określa przedział przejściowy dla napędów nn/SN jako zakres 2201500 kW. W Europie napędy niskiego napięcia są stosowane dla wyższych mocy ze względu na wyższe napięcie znamionowe sieci, jak np. 690 V.
? Bazując na doświadczeniu użytkowników końcowych napędów Siemens, decyzja o zastosowaniu napędu średniego napięcia staje się prostsza, gdy wymagana moc sięga 750 kW: oba typy napędów mają wtedy podobne rozmiary, a wykorzystanie silników SN często staje się koniecznością ? wyjaśnia Conner.
? Napędy niskiegonapięcia są nieefektywne, gdy wymagana jest duża moc, wymuszając stosowanie równoległych końcówek mocy. Przy pewnym poziomie mocy elementy przełączające SN mają pewne zalety funkcjonalne, ale niekoniecznie wiąże się to z niższą ceną. Biorąc jednak pod uwagę cały napęd średniego napięcia, koszt każdego kilowata mocy spada na przestrzeni ostatnich lat ? dodaje Conner.
Jason z Rockwell Automation uważa, że napędy SN mogą być ?ekstremalnie konkurencyjne cenowo? dla napędów niskiego napięcia w aplikacjach wymagających dużych mocy. Aby podjąć decyzję, trzeba przeprowadzić kompletną analizę kosztów wdrożenia. ? Ważne jest, aby określić koszty operacyjne w czasie całego cyklu życia projektu, biorąc pod uwagę także sprawność systemu, współczynnik mocy, koszty okablowania, wymagania dotyczące chłodzenia i serwisowania ? twierdzi Jason. Koszt dodatkowych komponentów systemu niskonapięciowego, takich jak transformatory wejściowe/wyjściowe, musi być także wzięty pod uwagę.
? ABB także poleca, aby dokonać wyboru systemu napędowego na podstawie kosztów instalacji. System niskonapięciowy może mieć niższy koszt każdego kilowata (do pewnej wartości mocy), ale dodatkowe komponenty, które są wymagane, mogą szybko popsuć cały efekt ? wyjaśnia Nolden. Na przykład transformator obniżający napięcie: jest prawie zawsze wymagany przez napędy niskiego napięcia, natomiast rzadko przez napęd SN (zobacz wykonanie beztransformatorowe). ? Co więcej, każda filtracja harmonicznych napędów niskonapięciowych powoduje zmniejszenie sprawności i zwiększenie kosztów ? dodaje Nolden.
? Nie tylko sprawność, ale i koszt materiału oraz instalacji jest mniejszy dla napędów średniego napięcia, głównie z powodu mniejszego przekroju kabli ? wyjaśnia Rick Hoadley, główny inżynier aplikacji napędów serii MV w ABB. Ograniczona wydajność prądowa dostępnych elementów półprzewodnikowych, a także konieczność przesyłania dużych prądów wewnątrz urządzenia powoduje, że zaprojektowanie napędu niskiego napięcia o mocy 7502000 kW jest wg Hoadleya bardzo trudne. ? Jest pewna moc, przy której stosowanie równoległe wielu elementów mocy zabiera za dużo miejsca i kosztuje za wiele ? dodaje.
Walka z harmonicznymi
Napędy z przemiennikami częstotliwości, niezależnie, nisko- czy średnionapięciowe, mają skłonność do generowania składowych harmonicznych napięć i prądów. Ponieważ zakresy napięć napędów SN są bliższe napięciom dystrybucyjnym, a same napędy są urządzeniami wysokiej mocy, muszą być wyposażone w układy redukujące składowe harmoniczne. Hoadley zwraca uwagę, że jedynie około 20% napędów niskiego napięcia w USA zawiera filtry sieciowe, natomiast prawie wszystkie napędy średniego napięcia są w nie wyposażone. W Europie sytuacja wygląda trochę inaczej. Większość producentów oferujących napędy niskiego napięcia na rynki europejskie albo proponuje napędy z zewnętrznymi filtrami, albo integruje filtry od razu wewnątrz napędów. Ograniczona emisja zakłóceń jest jednym z warunków otrzymania znaku CE, dopuszczającego produkt do sprzedaży w Europie.
Zainteresowanych odsyłamy do październikowego wydania Control Engineering Polska (?Zakłócenia elektromagnetyczne ? O czym powinni wiedzieć użytkownicy napędów?), w którym szczegółowo opisano problematykę generowania przez napędy zakłóceń oraz podatności na nie tych urządzeń.
W tradycyjnym napędzie średniego napięcia do ograniczania harmonicznych stosuje się transformator przekształtnikowy. Hoadley wyjaśnia, że przekształtnikowy transformator zasilający pracuje wspólnie z wielopulsową sekcją prostownika (18, 24, 36 lub nawet więcej pulsów), w efekcie czego powstają znoszące się przebiegi minimalizujące harmoniczne po stronie pierwotnej.
?Kasowanie harmonicznych? jest wg Russella z TMWIC GE zawarte zwykle w podstawowym projekcie urządzenia, bowiem bazuje ono na dobrze znanych transformatorach wielofazowych z wieloma odczepami, za pomocą których kształtuje się przebiegi wyjściowe, zapewniając jednocześnie izolację wejścia. ? Kasowanie harmonicznych jest wtedy zależne od konfiguracji sekcji prostownika i uzwojeń transformatora ? twierdzi Russell. ? Co więcej, w dynamicznych aplikacjach o zmiennych obciążeniach napędy średniego napięcia zapewniają kontrolę poziomu harmonicznych.
Chociaż opisana technika kasowania harmonicznych może być zastosowana do napędów niskiego napięcia, stosowanie transformatora nie jest zwykle wymagane i nie jest uzasadnione ekonomicznie w USA, gdzie nie obowiązują tak rygorystyczne normy dotyczące emisji zakłóceń. ? Dodanie filtrów i/lub transformatorów ograniczających zakłócenia wprowadzane do linii zasilającej do napędów niskiego napięcia powoduje, że ich cena zbliża się do ich średnionapięciowych wersji ? stwierdza Russell.
Beztransformatorowe wykonanie
Transformator to duży, ciężki i stosunkowo drogi element. Koncepcja wyeliminowania transformatora z obwodu wejściowego napędu SN jest zrozumiała: pozwala to na ogromną redukcję wielkości i wagi urządzenia, a także jego ceny. Beztransformatorowa koncepcja napędu SN nie jest nowa, ale wdrożono ją dopiero w niewielu urządzeniach. Napędy te bazują na prostowniku w układzie Active Front End (AFE) oraz nowoczesnym rozwiązaniom z dziedziny elementów mocy, zapewniając funkcjonalność transformatora separującego.
Rockwell Automation rekomenduje napędy beztransformatorowe i promuje taką wersję serii PowerFlex 7000, dostępną także w tradycyjnym wykonaniu. Navid Zargari, menedżer badań i rozwoju w Rockwell Automation Canada, podaje przykład napędu SN o mocy 950 kW, który w wykonaniu beztransformatorowym waży 67% mniej i zajmuje 59% miejsca.
? Beztransformatorowa koncepcja napędu nazwana przez Rockwell jako ?Direct-to-Drive? jest kombinacją prostownika AFE ? do zminimalizacji harmonicznych ? oraz specjalnego elementu indukcyjnego, który pomaga eliminować krótkotrwałe skoki napięcia bardzo niebezpieczne dla izolacji przewodów silnikowych ? wyjaśnia Zargari, który odegrał ważną rolę w procesie rozwoju technologii Direct-to-Drive.
Przełączane elementy mocy w postaci tyrystorów SGCT także pomagają ograniczać harmoniczne, zmniejszając tym samym wymagania dotyczące filtracji sygnału. ? Wyjściowy prąd i napięcie mają przebieg niemal sinusoidalny, czego efektem jest praktyczny brak narażeń na uszkodzenia uzwojeń silnika… nawet jeśli kable są bardzo długie ? dodaje Zargari.
Beztransformatorowe napędy średniego napięcia mogą znaleźć szerokie zastosowanie w aplikacjach, gdzie ilość miejsca jest bardzo ograniczona. Oczywiście musi być dostępne odpowiednie źródło zasilania. W przeciwnym wypadku niezbędna będzie instalacja transformatora obniżający napięcie zasilające.
Inni producenci nie zaniedbują technologii beztransformatorowej. ABB oferuje taką funkcjonalność (o nazwie ?direct-to-line?) w napędach średniego napięcia ACS 2000 i 6000, natomiast TMEIC GE w napędach TM-30 i TM-50/70, które wyposażone są w jeszcze jedno ciekawe rozwiązanie ? aktywny konwerter zasilania, który pozwala pracować bez transformatora zapewniającego odpowiednie napięcie.
Ponieważ stosunek mocy do ceny napędów średniego napięcia jest coraz wyższy, można spodziewać się zwiększonej popularności tych napędów wśród użytkowników, dla których ważna jest sprawność energetyczna ? niezależnie od technologii wykonania.
Artykuł pod redakcją mgr. inż. Łukasza Urbańskiego, doktoranta w Katedrze Automatyki Przemysłowej i Robotyki Wydziału Elektrycznego Zachodniopomorskiego Uniwersytetu Technologicznego w Szczecinie.
CE