teollisuuden sähköverkko
DESCRIPTION
110 kV. Esimerkki suuren teollisuuslaitoksen. sähköjakeluverkosta. Muuntaja. 10 kV tai 6 kV. Erotin. Katkaisija. Erotin. G. M. Kuristin. Moottori. Gen 1. 690V. 400 V. 3 kV. M. M. M. 400V. 690V. 690V. 690V. 690V. 690V. 400 V. 690V. 690V. 690V. Moottorikeskus. 690V. - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
G M
M M M
M M MM M
110 kV
10 kV tai 6 kV
Gen 1400 V
Moottori
3 kV
690V
400V 690V 690V 690V 690V
400 V 690V 690V 690V 690V
400 V 690V 690V 690V 690V
Tasavirtakäyttöjä
Moottorikeskus
Oikosulkumoottorikäyttöjä
Turvakytkin
ErotinKatkaisijaErotin
Muuntaja
Ohjattutasasuuntaaja
Esimerkki suuren teollisuuslaitoksen sähköjakeluverkosta
f1f2
Kuristin
Teollisuuden sähköverkko
1. Keskijännitekojeisto2. Oikosulkuvirran rajoitus
keskijännitteellä3. 690 V:n kojeisto4. Oikosulkusuojaus5. Kontaktori6. Ylikuormitussuojaus7. Integroidut komponentit8. Taajuusmuuttaja9. Loistehon kompensointi10. Yliaaltojen suodatus11. Virtayliaallot12. Jänniteyliaallot
1
3
2
6
5
4
109
87
11
12
11
10
2
Keskijännitekojeisto Tyypilliset
nimellisjännitteet:• 20 kV, jos ei keski-
jännitemoottoreita tai generaattoreita
• 10 kV ja 6 kV, jos myös moottoreita tai generaattoreita keskijännitteellä
• 3 kV esimerkiksi pienet moottorikes-kukset
– Suojaus
– Katkaisija
1
1
2
2
Johtolähdön suojaus
1
2
• Tyypillisesti numeerinen suojarele
• Suojausfunktiot esimerkiksi:– Ylivirtasuojaus– Suunnattu
maasulkusuojaus
1
2
Ylivirtasuojaus
Asettelut:• Alempi porras I>,t>
– Vakioaikahidasteinen – Käänteisaikatoimin-
toinen
• Ylempi porras I>>, t>>– Tavallisesti
vakioaikahidasteinen
• Joskus myös kolmas porras I>>>
t
I
t>
t>>
t>>>
I> I>> I>>>
Maasulkusuojaus
• Laajat verkot maasta erotettuja
– Suunnattu maasulkusuo-jaus esim. I0sin -karakteristika
• Suppeissa verkoissa resistanssin kautta maadoitettu
– Hälyttävä U0 suojaus tai suunnattu I0cos-karakteristika
I0
I0
U0
I0
I0
U0
Keskijännitekatkaisija
Tyypillisesti:• Vaunukatkaisija• Katkaisukammiossa
tyhjiö tai SF6 kaasu• Ei rajoita oikosulkuvirran
huippuarvoa (katso Is-rajoitin )
Oikosulkuvirtojen rajoitus keskijännitteellä
Kuristin• Pienentää alakeskusten
oikosulkuvirtoja.
Sulake• Pienentää myös oikosulkuvirran
huippuarvoa.• Ei suurille nimellisvirroille.
Is-rajoitin• Pienentää myös oikosulkuvirran
huippuarvoa.• Suurille niemellisvirroille.• Toiminta perustuu virran
suuruuden ja nousunopeuden perusteella toimivaan räjähdyspanokseen.
• Rajoitetaan esimerkiksi muuntajan rinnalle kytketyn generaattorin virtaa (kuvassa i1 ).
Kalustusvaihto-ehdot:• Kiinteä• Ulosotettava• Ulosvedettävä
Maadoitustavat:• Resistanssin
kautta maadoitettu
• Maasta erotettu
690 V kojeisto
2
1
Resistanssin kautta maadoitettu verkko
• Maasulku ei aiheuta käyttökeskeytystä => hälyttävä maasulkusuojaus
• Vian etsintä lähtökohtaisesti kaapelivirtapihdillä
• Vikavirran havaitsemisen parantamiseksi kytketään tähtipistevastuksen rinnalle lisävastus R2
Maasta erotettu verkko
• Laite mittaa eristystasoa generoimalla maasta erotettuun verkkoon tiettyä signaalia
• Vian paikallistaminen yleensä erillislaitteella
• Kytkinvaroke kahvasulakkeilla– Katkaisukyky 100 kA– Paras virranrajoituskyky suurilla
oikosulkuvirroilla• Moottorinsuojakytkin
– Pienille nimellisvirroille– Katkaisukyky riippuu jännitteestä
• Virtaa rajoittava kompaktikatkaisija– Katkaisukyky riippuu jännitteestä– Yleensä sulaketta huonompi
virranrajoituskyky suurilla oikosulkuvirroilla • Oikosulkusuojauksen ominaisuuksia kuvaavat:
– Virta/aika –ominaiskäyrät– Virran rajoituskäyrät– Läpipääsevän energian rajoituskäyrät ( i2t-
käyrät)– Koko suojauksen vaikutus otetaan
huomioon koordinaatiotaulukoissa
Oikosulkusuojaus
1
2
3
4
Oikosulkusuojauksen virta/aika-ominaiskäyrät
aM-sulake Katkaisija ilman ylikuormitussuojaa
Virran rajoituskäyrät
aM-sulake Virtaa rajoittava kompaktikatkaisija
Läpipääsevän energian rajoituskäyrät ( i2t-käyrät)
aM-sulake Virtaa rajoittava kompaktikatkaisija
Koordinaatiotaulukot
Sovittaa yhteen moottorin, kontaktorin, ylikuormitussuojan, oikosulkusuojan ja usein myös kaapelin.
Kontaktori
Sähkömekaaninenkontaktori• Koskettimien
käyttöikä n. 1-2 milj. käynnistys/ pysäytys toimintaa
• Pieni jännite- ja tehohäviö
Puolijohdekontak-tori• Ei kulu• Suuri jännite- ja
tehohäviö• Pienehkö
nimellisvirta
Ylikuormitussuojaus
Lämpörele• Perustuu bi-metallin
taipumaan• Avaa ylikuormitustilan-
teessa moottorin kon-taktorin ohjauspiirin
• Voi sisältyä myös kompaktikatkaisijaan
Käämin lämpötilaa mittaavat ylikuormitussuojat• Termistorit• PT-100 anturit
Moottorinsuojarele jaälykäs moottorinohjain• Sisältää myös muita
vikasuojauksia• Toimii myös ohjaus- ja
mittauselimenä
1
Moottorinsuojarele jaälykäs moottorinohjain
• Moottorin ohjaus ja valvonta väylän kautta
• Ylikuormitussuojaus perustuu mitattujen virtojen avulla laskettuun moottorin lämpenemään
• Muita vikasuojauksia esim: maasulkusuojaus, käynnistyksen valvonta, ylivirtasuojaus, vinokuormitussuojaus, alikuormitussuojaus.
Integroidut komponentit • Yhteen kojeeseen
integroituna kon-taktoritoiminnon lisäksi oikosul-kusuojaus, yli-kuormitussuojaus, mahdollisesti muita suojauksia sekä väylän kautta tapahtuva ohjaus ja valvonta.
Taajuusmuuttaja
• Verkkosuuntaajana yleensä kuusipulssinen diodisuuntaaja
• Invertterin ohjattuna komponenttina yleensä IGBT
• Suurella kytkentätaajuudella lähes sinimuotoinen moottorivirta
• Verkkovirta säröytynyt
• Ohjaustavat:– Skalaariohjaus– Vektorisäätö– DTC-säätö3
1
2
M
R j
ja rru ka tko jaja -va stu s
U d
ta sa su u n taa ja inve r tte r ivä lip iir i
U u
i
ve rkko m o o tto ri
Taajuusmuuttajan skalaariohjaus
• Taajuusmuuttajalle annetaan taajuusohje, josta lasketaan jänniteohje nostamalla sitä tavallisesti lineaarisesti nimellisjännitteeseen.
Taajuusmuuttajan vektorisäätö
• Staattorivirta jaetaan roottorivuon suhteen avaruusvektorina kahteen komponenttiin id ja iq , joita säädetään erikseen.
• Momentti on verrannollinen virtakomponenttien tuloon T=Kt id iq.
• Vakiovuoalueella pyritään pitämään vuohon verrannollista komponenttia id vakiona säätämällä jänniteohjeen amplitudia. Momenttiin verrannollinen virtakomponentti iq pyritään pitämään ohjearvossaan säätämällä taajuusohjetta.
Ψr
isiq
id
Taajuusmuuttajan DTC-säätö
• Säätö perustuu staattorivuon ohjaamiseen invertterin kytkentäkombinaatioilla siten, että sekä staattorivuo että momentti pysyvät halutun hystereesin sisällä.
• Säätö laskee 25 s välein optimikytkennän, jolla säädetään momenttia ja staattorivuota.
Loistehon kompensointi • Kondensaattoriparistoilla,
jos ei tarvetta yliaaltojen suodatukseen tai ei resonanssivaaraa.
• Estokelaparistoilla, jos yliaaltojen aiheuttama resonanssivaara.
• Imupiireillä, jos tarvetta myös yliaaltojen suodatukseen.
1
2
Estokelaparisto
• Käytetään loistehon kompensointiin pelkkien kondensaattoreiden sijaan, jos verkossa resonanssivaara.
• Käämin ja kondensaattorin muodostama sarjaresonanssipiiri, jonka viritystaajuus on alle verkossa esiintyvien yliaaltotaajuuksien esim. 189 Hz.
• Piiri on induktiivinen yli viritystaajuudella eikä voi muodostaa rinnakkais-resonanssia muuntajan kanssa.
• Verkon nimellistaajuudella piiri vastaa kondensaat-toria.
f/Hz
Z
fr=18950
kap ind
Sähköverkon resonassitilanne
Rinnakkaisresonanssi:
• Syöttävän verkon (lähinnä muuntajan) induktanssi ja kompensointikondensaattorin kapasitanssi muodostavat rinnakkaisresonanssin jollakin verkossa esiintyvällä yliaaltotaajuudella.
• Aiheuttaa resonanssivirran voimakkaan vahvistumisen muuntajassa ja kondensaattorissa. Seurauksena suuret virta- ja jänniteyliaallot.
Sarjaresonanssi:
• Yliaaltolähteen ja kondensaattoripariston väliset muuntajat muodostavat sarjaresonanssipiirin kondensaattorien kapasitanssin kanssa.
Rinnakkaisresonanssi
Sarjaresonanssi
Jännitteet rinnakkaisresonanssissa
• Esimerkki vaihejännitteestä ilman kompensointia ja kompensoinnin aiheuttamassa 7. yliaallon resonanssitilanteessa.
Virtayliaallot
• Erityisesti suuntaajakäyttöjen verkosta ottama virta ei ole sinimuotoista, jolloin se voidaan jakaa perusaaltoon ja yliaaltoihin.
• Jos suuntaajan pulssiluku on p, saadaan yliaallon järjestysluvuksi n=p.i+-1, jossa i=1,2,3,…
• Täysin tasoittuneella DC-virralla saadaan n:nen yliaallon tehollisarvoksi
In=I1/n.
• Kokonaisvääristymä:
0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 0.014 0.016 0.018 0.02150
120
90
60
30
0
30
60
90
120
150
i( )t
i sum( ),t 13
0
t
0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 0.014 0.016 0.018 0.02150
120
90
60
30
0
30
60
90
120
150
i( )t
i 1( )t
i 5( )t
i 7( )t
i 11( )t
i 13( )t
t
...)7sin(2)5sin(2)sin(2)( 171511 tItItIIti av
...27
25
21
22 IIIII av
Esimerkiksi
1
21
2
1
2
2
I
II
I
I
THD nn
Yliaaltojen suodatus
• Esimerkiksi suuntaajakäyttöjen aiheuttamia virtayliaaltoja suodatetaan
– imupiireillä– aktiivisuodattimilla
• Imupiiri on sarjaresonanssipiiri, joka on viritetty halutulle yliaaltotaajuudelle
• Suuntaaja voidaan käsitellä verkossa perus- ja yliaaltoja generoivana virtalähteenä, jolloin imupiiri muodostaa yliaaltovirralle pieni-impedanssisen virtatien. Tällöin pääosa yliaaltovirrasta sulkeutuu imupiirin eikä syöttävän verkon kautta.
1
Pienjänniteimupiiri Keskijänniteimupiiri
Aktiivisuodatin
• Invertteritekniikkaan perustuva laite, joka generoi suuntaajan virran yliaallot. Syöttävästä verkosta syötetään vain perusaalto.
• Voi kompensoida myös loistehoa.
Jänniteyliaallot
Yliaaltovirtojen aiheuttamat
jänniteyliaallot:• Kukin yliaaltovirtakomponentti
aiheuttaa verkon impedansseissa vastaavan jännitehäviökomponentin.
• Jännitteeseen syntyy samat harmooniset yliaallot kuin virroissa.
Suuntaajan kommutoinnin aiheuttama
jännitteen säröytyminen:• Johtuu suuntaajan toiminnan
aiheuttamasta lyhytaikaisesta oikosulusta.
U Z Z I
U
Z
Z
I
n Sn Mn n
n
Sn
Mn
n
= +
=
( )
jossa
= n:s yliaaltojännite
= syöttöverkon impedanssi n: llä yliaallolla
muuntajan impedanssi n: llä yliaallolla
= n:s yliaaltovirta