Zavarivanje armaturne mreže

Ova studija slučaja obrađuje vrlo specifičnu oblast kompenzacije reaktivne snage, a to su mašine za proizvodnju armaturne mreže. Ove mašine stvaraju izuzetno brze i velike promene struje sa jako visokim sadržajem viših harmonika. U domaćoj praksi kod ovakvih mašina uglavnom nije izvođena kompenzacija reaktivne snage, a tamo gde je izvedena rezultati su jako loši zbog nastalih rezonansi, nedovoljne brzine reagovanja, te oscilacija struja i napona.

Opis problema

Jedna od najpoznatijih domaćih fabrika za proizvodnju armaturne mreže, u cilju smanjenja troškova električne energije i stabilizacije napona odlučila je da izvrši kompenzaciju reaktivne snage. U pogonu su dominantne dve mašine za proizvodnju armaturne mreže, proizvođača Schlater. Mašine automatizovanim postupkom tačkastog zavarivanja sa više zavarivačkih glava istovremeno, prave armaturnu mrežu. S obzirom na visok sadržaj harmonika napona i struja, klasična kompenzacija reaktivne snage nije dolazila u obzir. Avalon Partners je angažovan da izvrši analizu problema i predloži optimalno tehničko rešenje.

Analiza procesa zavarivanja armaturne mreže

Analizom mreže utvđene su velike i brze oscilacije reaktivne snage koje stvara mašina za proizvodnju armaturne mreže. Jedan ciklus zavarivanja traje oko 200-400 ms u zavisnosti od debljine žice. Ciklusi se ponavljaju na svakih 1.2 sekunde. Udarna vrednost struje tokom jednog ciklusa zavarivanja iznosi i do 1500 A (v. sliku 1)

Utvrđeno je i da struje po fazama nisu simetrične, već da postoje značajna odstupanja – i do dva puta (v. sliku 1 i sliku 3.). Ovo otežava izbor opreme za kompenzaciju reaktivne snage. Većina opreme je trofaznog simetričnog tipa koja uključuje kondenzatorske baterije praktično istovremeno u sve tri faze (bilo kontaktorski bilo tiristorski). Time bi došlo do značajne prekompenzacije u jednoj fazi i značajne podkompenzacije u drugoj. Pored neefikasne kompenzacije reaktivne snage ovo bi dovelo do različitih padova napona po fazama i lošeg kvaliteta zavara.

Ograničenja postojeće tehnologije

Važno je napomenuti da klasični tiristorski regulatori reaktivne snage, i pored velike brzine reagovanja, ne mogu ispratiti ovako brze promene reaktivne snage. Klasični komercijalni regulatori za tiristorsku kompenzaciju u praksi imaju sledeća ograničenja:

Brzina reagovanja

Vreme uključenja koraka je u realnosti značajno duže od deklarisanog vremena uključenja regulatora. Uobičajeno je da se vreme uključenja koraka definiše prema podatku o brzini reagovanja regulatora. U praksi se mora uzeti u obzir i vreme reagovanja tiristorskog modula. Kod intermitentnih pogona (ciklus koji se ponavlja u kratkim vremenskim intervalima), vreme uključenja koraka zavisi i od toga da li je kondenzator stigao da se isprazni. Korak se neće uključiti dok kontrolna elektronika ne osigura da je razlika napona mreže i zaostalog napona baterije u trenutku uključenja dovoljno mala. Vreme pražnjenja baterije je relativno sporo, reda velične minuta. Odavde je jasno da nije svaki regulator pogodan za kompenzaciju reaktivne snage zavarivačkog pogona i pored naizgled zadovoljavajućih brzina reagovanja.

Sekvencijalno uključenje

Koraci se uključuju sekvencijalno, tj. jedan po jedan, što je neprimenljivo u slučaju zavarivanja armaturnih mreža. To znači da na početku zavarivačkog impulsa, regulator uključuje korake jedan po jedan, tako da se tek na završetku impulsa uključe svi koraci. Po završetku zarivačkog impulsa ovi regulatori takođe gase korake jedan po jedan i za to vreme postoji značajna prekompenzacija. Znači, upotreba klasičnih tiristorskih regulatora reaktivne snage dovela bi do neefikasne ukupne kompenzacije, povremene prekompenzacije i do dodatnih oscilacija i izobličenja napona i struja pogona.

Zbog svega napred navedenog, kompenzacija reaktivne snage zavarivačke linije za armaturnu mrežu izvodi se sa posebnim regulatorima, koji su rešili navedena tehnološka ograničenja.

Pre kompenzacije reaktivne snage linije za zavarivanje armaturne mreže

Aktivna i reaktivna snaga

Na slici 2. prikazane su snage zavarivačke linije pre ugradnje opreme za kompenzaciju reaktivne snage. Reaktivna snaga koju treba kompenzovati iznosi oko 600 kVAr/fazi. Sa slike 2 se vidi da su oscilacije reaktivne snage izuzetno brze – oko 300 ms.

Izobličenja napona i struja

Na slici 3. prikazan je sadržaj viših harmonika, THD faktor napona i struja, tokom zavarivačkog ciklusa. Veoma važna napomena je da je prikazana karakteristika izmerena periodu po periodu napona tj. struje. Klasični mrežni analizatori THD faktor računaju po IEC 61000-4-30 standardu tj. daju srednju vrednost na 10 perioda. U ovom slučaju ta metoda dovodi do pogrešnih rezultata, jer zavarivački ciklus upravo toliko i traje, a mernja bi morala biti sa nekoliko puta većom rezolucijom. Merenjem THD-a na nivou jedne periode dobija se precizna informacija o sadržaju viših harmonika i omogućava pouzdano projektovanje struje  filterskog koraka i optimalne rezonantne učestanosti filtra.

Na slici 3. vidi se da je THD faktor struje izuzetno visok i kreće se do 65%, što je očekivano s obzirom da se radi o elektrolučnom zavarivanju. Električni luk generiše više harmonike praktično ravnomerno po svim učestanostima. Stoga se, prilikom projektovanja opreme za kompenzaciju reaktivne snage, mora voditi računa o izboru rezonantne učestanosti filterskog koraka. Standardna rešenja za industriju, detuned filtri ili apsorpcioni filtri ovde ne igraju nikakvu ulogu.

Predlog tehničkog rešenja za kompenzaciju linije za zavarivanje armaturne mreže

Primena klasične kompenzacije reaktivne snage (bez filtara) ili standardnih industrijskih detuned ili apsorpcionih filtara u ovom slučaju dovodi do rezonanse i velikog pogoršanja naponskih i strujnih izobličenja. Svaku rezonansu treba izbegavati jer se radi o nekontrolisanom procesu, sa nepredvidljivim posledicama.

Na osnovu svih merenja Avalon Partners je isprojektovao i ugradio postrojenje za kompenzaciju reaktivne snage sledećih karakteristika:

• regulacija u realnom vremenu (praktično trenutno)
• brzi tiristorski prekidači
• uključenje i isključenje kompletne snage ormana u jednom koraku
• specifična rezonantna učestanost filterskog koraka u cilju optimalnog filtriranja struje zavarivanja.

Posle kompenzacije reaktivne snage linije za zavarivanje armaturne mreže

Aktivna i reaktivna snaga

Na slikama 5.-8. prikazani su ostvareni rezultati posle ugradnje opreme za kompenzaciju reaktivne snage.

Na grafikonu aktivne snage (slika 4. gornji grafikon) vidi se da je aktivna snaga ostala nepromenjena u odnosu na režim pre kompenzacije. Na grafikonu reaktivne snage (slika 4. donji grafikon), vidi se da je srednja reaktivna snaga svedena na nivo oko 30 kVAr, u poređenju sa prosečnih 250-300 kVAr pre kompenzacije. Primetni su kratkotrajni pikovi reaktivne snage kao posledica brzine uključenja koraka (16 ms) u trenutku kada strujni impuls počinje. S obzirom da se uključuje kompletna snaga ormana kompenzacije u jednom koraku reaktivna snaga praktično trenutno pada na nisku vrednost i sve što ostaje je minimalni pik u snazi. Sličan proces događa se pri prestanku strujnog impulsa, tj. isključenja kompenzacionih koraka.

Efektivne vrednosti napona i struja

Na slici 5. prikazane su efektivne vrednosti napona i struja linije za zavarivanje armaturne mreže po uključenju opreme za brzu kompenzaciju. Sa slike se vidi da je struja linije znatno niža, oko 750-800 A u odnosu na režim bez kompenzacije od 1500 A. Pad napona je takođe znatno niži iznosi svega 3.25% i to samo u pikovima pri uspostavljanju luka, tokom zavarivačkog ciklusa pad napona je svega oko 2%. Ovako nizak pad napona tokom zavarivačkog ciklusa povoljno utiče na kvalitet zavara, čime oprema za kompenzaciju reaktivne snage direktno doprinosi poboljšanju kvaliteta završnog proizvoda.

Izobličenje napona i struja

Na slici 6. prikazani su THD faktori napona i struje posle uključenja filterske kompenzacije. THD faktor napona se kreće ispod 2%, sa kratkotrajnim povremenim skokovima do 2.5%, što je odličan rezultat u poređenju sa 5% pre kompenzacije. THD struje je oko 70%, što za efektivnu vrednost struje od 800A daje oko 560 A struje viših harmonika – u poređenju sa 975 A pre kompenzacije (65% pri 1500 A). Ovako snižen sadržaj viših harmonika struje povoljno utiče na prenosne vodove i transformator, sa stanovišta sniženja gubitaka i smanjenog zagrevanja.

Uporedni rezultati pre i posle kompenzacije linije za zavarivanje armaturne mreže

Tabela:  Uporedni rezultati pre i posle ugradnje opreme za ultra brzu kompenzaciju reaktivne snage

Zaključak – efektri kompenzacije linije za zavarivanje armaturne mreže

Elektrolučno zavarivanje armaturne mreže je proces u kome električni luk generiše više harmonike struje ravnomerno po čitavom spektu. Ovime je primena klasičnih industrijskih filterskih rešenja za kompenzaciju reaktivne snage nemoguća. Struje zavarivanja su nesimetrične i razlikuju se po fazama i do dva puta, što onemogućava upotrebu opreme sa trofaznim prekidačima. Zvarivački strujni impulsi su velike amplitude i do 1500 A i traju jako kratko – 200 ms. Odavde je jasno da je nemoguće primeniti klasične tiristorske regulatore reaktivne snage.

U ovom slučaju isprojektovana je i ugrađena specifična oprema za kompenzaciju reaktivne snage u realnom vremenu (16 ms efektivna brzina reagovanja), regulacija sa uključenjem kompletne snage u jednom koraku, raspregnuta regulacija po fazama, ultra brzi tiristorski prekidači velike snage i rezonantna učestanost filterskih koraka prilagođena spektru struje zavarivanja. Posao je uspešno završen, pogon radi mirno, oscilacije napona su minimizovane (poboljšan kvalitet zavara), smanjeni su flikeri i harmonici u naponu i struji pogona, reaktivna snaga je kompenzovana i računi za struju smanjeni.