C&T Elmech wdrożył do produkcji dwa typy nowych jednostek mocy, które wzbogaciły rodzinę urządzeń do poprawy jakości energii Xinus. Nowe konstrukcje mogą pracować jako filtry aktywne i dynamiczne układy kompensacji mocy biernej oraz mogą być wykorzystane w innych aplikacjach.

Dzięki nowym rozwiązaniom C&T Elmech aplikacje Xinus i falowniki napięcia mogą zostać zmniejszone pod względem gabarytów, zyskując przy tym znacznie większą moc z jednostki objętości w porównaniu do dotychczasowych rozwiązań. Oprócz uzyskania dodatkowej przestrzeni, ułatwia to standaryzację urządzeń, dzięki czemu zwiększa się także ich niezawodność i upraszcza serwisowanie. Ponadto, dzięki zdolności do pracy równoległej modułów, możliwe jest skalowanie mocy aplikacji.

Rys. 1. Dwa typy nowych jednostek mocy C&T Elmech:
 – jednostka mocy do instalacji w systemie 19”, o prądach nominalnych 100 i 200 A,
 – jednostka mocy do pracy na SN i prądzie 100 A

Nowe jednostki mocy

Pierwszy z nowych produktów, o dwupoziomowej topologii falownika, to dwie jednostki do pracy w aplikacjach niskonapięciowych (208-600 V AC), do zabudowy w szafach systemu 19” i prądach odpowiednio 100 A i 200 A. Drugim rozwiązaniem, o trójpoziomowej topologii falownika, są jednostki dużej mocy do pracy bezpośredniej na napięciu 1,1 kV, o prądzie 550 A. Ich instalacja na średnim napięciu 1,5-15 kV wymaga zastosowania transformatora dopasowującego napięcie, który jednocześnie jest wykorzystywany jako indukcyjność filtru LCL (rys. 1 i 2). Jednostki dużej mocy zdobyły w tym roku nagrodę Prezesa Rady Ministrów RP – najwyższe polskie wyróżnienie w dziedzinie naukowo-technicznej.

Zaplecze konstrukcyjne

Przy opracowaniu nowych rozwiązań inżynierowie firmy C&T Elmech wykorzystali doświadczenia z trwających od 2005 roku prac nad filtrami aktywnymi. Duży wpływ na rozwój technologii miało wykonanie przez firmę dwóch największych w Europie aplikacji filtrów aktywnych pracujących na maszynach wyciągowych (każda o mocy 2 MVA). Jedna z nich została zainstalowana na niskim napięciu, co dało możliwość zebrania obserwacji dotyczących pracy z dużymi prądami i wysoką dynamiką zjawisk zachodzących w sieci. W drugim przypadku aplikacja dotyczyła napięć na poziomie 6,3 kV i dała możliwość analizy zjawisk w tym obszarze. Oba projekty przyczyniły się do rozwoju prezentowanych rozwiązań, dostarczając wiedzę w zakresie zjawisk elektrycznych występujących w przekształtnikach dużych mocy, wysokich prądów i szerokich zakresów napięć pracy.

Rys. 2. Modułowa budowa urządzeń do poprawy jakości energii Xinus

Urządzenia Xinus do poprawy jakości energii

Aplikacje do poprawy jakości energii, a w szczególności filtry aktywne, są najbardziej wymagające w stosunku do falowników, które są w nich wykorzystywane. Dlatego też nowe jednostki mocy zostały zaprojektowane tak, aby uzyskać maksymalne możliwości kompensacyjne. Oznacza to wysoką dynamikę zmiany i wysoką wartość prądów kompensujących przy zachowaniu dużej stabilności pracy układu i małej emisji tętnień prądu przedostających się do sieci elektroenergetycznej, spowodowanych kluczowaniem tranzystorów. Zwykle wysoka dynamika prądów kompensujących wiąże się z wysokim poziomem tętnień emitowanych do sieci elektroenergetycznej przez falownik. Inżynierowie C&T Elmech rozwiązali jednak ten problem z korzyścią dla oferowanych filtrów Xinus, zachowując wysoką dynamikę prądów kompensujących i niski poziom tętnień prądów w częstotliwości kluczowania. Uzyskano to dzięki zastosowaniu specjalnego algorytmu, który wspomaga tłumienie rezonansu w filtrze wejściowym LCL bez wymaganej rezystancji w obwodzie kondensatora, jak jest to zwykle rozwiązywane w powszechnie stosowanych filtrach typu LCL+R. Dzięki temu wyeliminowane zostało źródło strat, jakim jest rezystor, który odpowiada nawet za 20% wszystkich strat w aplikacjach filtrów aktywnych.

Rys. 3. Porównanie charakterystyk skuteczności tłumienia rezonansu LCL i LCL+R w częstotliwości kluczowania. Z różnych symulacji wynika, że filtr LCL ma od 10 do 100-krotnie lepszą skuteczność tłumienia

Zastosowanie filtrów Xinus

Filtr aktywny Xinus potrafi zrealizować jednocześnie zadania wielu klasycznych urządzeń do kompensacji. Dzięki przemyślanej priorytetyzacji pracy potrafi efektywnie zarządzać dostępną chwilową mocą, tak aby realizować naraz kilka funkcji zgodnie z określonymi wymaganiami. Daje to taki efekt, jakby do dyspozycji była 1,2 do 1,7 razy większa moc niż w rzeczywistości. Dodatkowo urządzenie jest szybkie, precyzyjne i niepodatne na zakłócenia, tętnienia prądów czy rezonanse.
Filtry aktywny Xinus może pracować jako:
• nadążna, bezstopniowa bateria kondensatorów do kompensacji mocy biernej indukcyjnej,
• nadążna, bezstopniowa bateria dławików do kompensacji mocy biernej pojemnościowej,
• N-filtrów pasywnych do kompensacji wyższych harmonicznych: 5h, 7h, 11h, 13h,… 50h.
Ponadto urządzenie realizuje funkcje, których klasyczne układy w większości nie oferują:
• eliminacja zapadów napięcia,
• stabilizacja napięcia na wymaganym poziomie w punkcie włączenia filtru do sieci elektroenergetycznej,
• symetryzacja obciążenia poszczególnych faz,
• eliminacja migotania,
a dodatkowo zapewnia:
• stabilizację systemu elektroenergetycznego,
• wzrost sprawności silników, transformatorów, kabli,
• eliminację zakłóceń urządzeń AKPiA,
• wzrost żywotności urządzeń.

Podsumowanie

Ze względu na kierunek rozwoju układów i urządzeń zasilających, systemów sterowań, wrażliwość aplikacji czy zwiększanie udziału energii odnawialnych, stosowanie filtrów aktywnych staje się koniecznością. Decydują o tym również zwiększające się wymagania norm jak i wzrost wymagań dotyczących jakości energii wobec jej dostawców. W konsekwencji działania modernizacyjne w tym zakresie mają wysoką stopę zwrotu, dzięki czemu poniesiony koszty kompensują się w okresie 2-3 lat.

Bogdan Bałkowski
Autor jest prezesem zarządu
firmy Elmech