DC motor, viši harmonici i kondenzatori

Ovom studijom slučaja ukazuje se na moguće probleme kod kompenzacije reaktivne snage DC motora. U prezentovanom slučaju, po puštanju u rad nove mašine (DC regulisani pogon) odmah je došlo do problema sa kvalitetom napona, tj. do naglog i velikog povećanja izobličenja napona u pogonu te učestanih resetovanja PLC-ova i reagovanja zaštite, što je onemogućavalo normalan rad.

Opis problema – DC motor sa kondenzatorskim postrojenjem

Problem

Tokom eksploatacije novi DC motor nije mogao da ustali rad. Javilo se veliko izobličenje mrežnog napona, THD U > 14%, što je dovelo do nepouzdanog rada ostale osetljive opreme u pogonu (PLC-ovi, analizatori) i čestih reagovanja zaštite. Pored ovog motora u pogonu postoje i drugi manji potrošači, kao npr. regulatori  brzine, asinhroni motori, ups-ovi, osvetljenje, itd… U trafo stanici postoji regulisani orman sa kondenzatorskim baterijama u cilju kompenzacije reaktivne snage.

Merenje

U cilju utvrđivanja uzroka problema, izvršena su merenja kvaliteta napona na nekoliko karakterističnih tačaka u fabrici i u različitim radnim režimima pogona.

Na slici 1. prikazan je režim rada DC motora. Napon je veoma izobličen sa THD faktorom od oko 16.5% u jednoj fazi (uobičajeni THD napona, kao mera izobličenja, kreće se oko 1.5-2.5%). Ovako izobličen napon deluje jako nepovoljno i na druge potrošače u pogonu.

Sa snimka se vidi da talasni oblik napona prolazi dva puta kroz nulu u kratkom intervalu, što dovodi do gubitka sinhronizacije kod osetljivih ispravljača.

Slika 1. Talasni oblici napona i struja u stanju rezonanse (kondenzatorske baterije uključene)

Opis uzroka – rezonansa

Tokom rada DC motora, ispravljač injektuje značajne struje viših harmonika (THD I = 26%) u električno kolo koje u suštini čini paralelna veza kondenzatorske baterije (orman kompenzacije reaktivne snage) i namotaja transformatora. Zbog prisustva kondenzatorskih baterija, rezonantna učestanost ovog kola je jako bliska učestanostima struja viših harmonika koje injektuje ispravljač i zbog toga dolazi do nekontrolisanog pojačanja ovih struja. Pojačanjem struja viših harmonika, pojačavaju se i izobličenja napona na sabirnicama niskog napona, što negativno utiče na rad svih ostalih potrošača u pogonu. Ovakav radni režim naziva se rezonansa. Pored navednih nedostataka stanje rezonanse je nekontrolabilni i nestabilni režim rada i ne mogu se predvideti pojačanja napona i struja viših harmonika. Ovakav režim mora se odmah prekinuti.

Jednostavan dokaz

Da bi dokazali pretpostavku o rezonansi, dok DC motor radi isključena je postojeća kompenzacija reaktivne snage u trafo stanici čime je raskinuto rezonantno kolo koje je dovelo do pojačanja struja viših harmonika. Istog trenutka je došlo do smanjenja izobličenja struja i napona. Talasni oblici napona i struja u ovom režimu predstavljeni su na slici 2.

Slika 2. Talasni oblici napona i struja DC ispravljača (kondenzatorske baterije isključene)

Sa slike 2. se vidi da u istom režimu rada DC motora, samo sa isključenom kompenzacijom, izobličenje napona drastično opada i iznosi oko 6.3% u jednoj od faza. Izobličenje struja iznosi 24.9% (normalizovano na nominalnu struju motora od 470 A).

Iz svih navededenih činjenica postalo je jasno da se DC motor ne može koristiti zajedno sa postojećom opremom za kompenzaciju reaktivne snage. Takođe, struje viših harmonika koje mašina injektuje su izuzetno visoke, te se ne može koristi ni standardna filterska kompenzacija reaktivne snage sa zaštitnim filtrima fc=189 Hz, jer bi došlo do strujnog preopterećenja filterskih koraka.

Opis rešenja – DC motor sa hibridnim filtrom

Da bi se problem rešio, potrebno je isprojektovati namenski hibridni filter za DC motor, sa tako odabranom rezonantnom učestanošću filterskih koraka da se ostvare sledeći ciljevi:

– sprečavanje nastanka rezonance

– smanjenje struja viših harmonika,

– smanjenje izobličenja napona napajanja, tj. stabilan rad opreme u pogonu

– kompenzacija reaktivne snage, tj. uštede po računu za struju

Ovakav filter je isporuče i ugrađen. Po puštanju u rad ovog namenskog filtra izmereni su talasni oblici napona i struja prikazani na slici 3.

Sa slike 3. se vidi da su, u nominalnom radu pogona i hibridnog filtra, izobličenja struje smanjena na oko 38 A, tj. izobličenje oko 9% (normalizovano na struju mašine od 470 A). THD faktor napona iznosi 3.3%, te sva osetljiva oprema u pogonu može raditi pouzdano.

Slika 3. Talasni oblici napona i struja DC ispravljača posle ugradnje hibridnog filtra

Rezultati pre/posle – DC motor sa standardnom i filterskom kompenzacijom

U sledećoj tabeli upoređeni su različiti režimi rada DC motora i opreme za kompenzaciju reaktivne snage.

*Vrednost normalizovana prema struji mašine 470 A

** Vrednost normalizovana prema nominalnom naponu mreže 400 V

Poređenjem vrednosti u tabeli, može se zaključiti kako je projektovani filter ispunio svoj zadatak. Struje viših harmonika su svedene na minimalnu moguću meru, izobličenja napona su se smanjila sa 6.9% na 3.3% u režimima kada ispravljač radi. Rezonantne pojave su eliminisane i pogon radi stabilno. Reaktivna snaga fabrike je kompenzovana i računi za utrošenu reaktivnu energiju su minimalizovani.

 Zaključak: DC motor i kompenzacija reaktivne snage

DC motor je značajni izvor viših harmonika struje i ne može raditi paralelno sa klasičnom opremom za kompenzaciju reaktivne snage (kondenzatorske baterije), jer se takvim režimom stvara rezonansa. Posledica rezonance je veliko pogoršanje kvaliteta napona, čime se kvare uslovi za pouzdan i dugotrajan rad celokupne električne opreme u pogonu. Da bi se kvalitet napona održao na prihvatljivom nivou, a istovremeno da bi se ostvarile uštede po osnovu kompenzacije reaktivne snage, isprojektovan je i ugrađen namenski hibridni filter viših harmonika koji je rešio probleme u radu DC motora.

Napomena: Svi prezentirani podaci i snimci su izmereni na konkretnim objektima na kojima je Avalon Partners izvršio opisane radove. Svi rezultati su realni i ni na koji način nisu izmenjeni ili prilagođavani. Svi grafikoni su izmereni od strane Avalon Partners d.o.o. i kao takvi su vlasništvo Avalon Partners d.o.o., te se ne smeju umnožavati ili distribuirati bez izričitog odobrenja Avalon Partners d.o.o.