Linkový kondicionér

Všeobecně

Název kondicionér, původně francouzské slovo je užíván v anglo-americké praxi a literatuře a znamená zařízení, které upravuje či přizpůsobuje jisté veličiny standardním nebo žádoucím podmínkám a požadavkům. Známe jej spíše v souvislosti s úpravou teploty a vlhkosti ovzduší.

Linkový kondicionér je zařízení pracující na principu sériové kompenzace změn síťového napětí pomocí sériově zapojených transformátorů napájených měničem s pulsně šířkovou modulací.

Zařízení pracuje jako výkonový stabilizátor napětí pro veřejný rozvod elektřiny v širokém rozpětí vstupního napětí, s nezávislým stabilizačním efektem jednotlivých fází výstupu, rychlým účinkem a vyrovnáváním krátkodobých poklesů.

Kondicionér zpracovává jen část výkonu nezbytně nutného k doplnění deficitu vzniklého úbytky na vedení nebo ke zklidnění odběru.

Název kondicionér se pravidelně doplňuje přívlastkem linkový. Název vystihuje nejčastější užití – jako koncové zařízení na výběžcích rozvodných sítí, vyznačujících se delšími vedeními – linkami s nadprůměrnou impedancí.

alinkk10obr. 1 Linkový kondicionér EAFS072 - výstupní část a výstupní část

 

Veličina Symbol Jednotka EAFS018 EAFS036 EAFS072
Průchozí výkon SN kVA 18 36 72
Výkon měniče SM kVA 3,6 7,2 14,4
Jmenovité napětí Un V 3 x 230 / 400
Jmenovitá frekvence f Hz 50
Kolísání vstupního napětí D uvst %(V) +10 (253), –20 (184)
Kolísání výstupního napětí D uvýst % +10 (253), –5 (218)
Výstupní proud I2 A 26 52 104
Vstupní proud maximální I1max A 32 63 125
Proud měniče IM A 6 11 20
Přetížitelnost 1h % 10
Přetížitelnost 1min % 30
Přetížitelnost 1s % 100
Ss. napětí meziobvodu max. Umax V 594
Ss. napětí meziobvodu min. Umin V 430
Účinnost h % > 95
Převod vazebního transformátoru p - 6
Jištění obvodu měniče A 10 gR 16 gR 25 gR
Doporučené předřazené jištění A 50 gG 80 gG 160 gG
Přiřazené jištění A 32 gG 63 gG 125 gG
Zkratový proud sítě Ik kA max 1,5

 

Skříň

Samotný měnič s filtračními a pomocnými obvody je umístěn v oceloplechové skříni řady SVS–IZK (Energetické strojírny Brno) se zvýšeným krytím IP54 bez vývodních komínků a s větrací mřížkou (krytí IP54). Skříň se upevňuje bokem na sloup a je podepřená standardní konzolou užívanou pro skříně typu SVS–IZK. Vstupní a výstupní kabel bude zaústěn dnem skříně přes vývodky.

Měnič má tyto vnější rozměry:

výška: 1200 mm
šířka: 1050 mm
hloubka: 600 mm

 

Připojení EAFS… k distribuční síti NN

alinkk1obr. 2 Příklad připojení kondicionéru k rozvodnému vedení

 

Vylepšení kvality elektrické energie

Většina předpisů a norem, které se týkají kvality elektrické energie, definuje následující parametry:

  • Odchylky od jmenovitého napětí
  • Přerušení a výrazné poklesy napětí
  • Cyklické kolísání napětí (flikr)
  • Symetrii třífázové soustavy
  • Obsah harmonických kmitočtů
  • Úroveň signálních kmitočtů (HDO)

Kondicionér je zařízení, které může zajistit základní parametry kvality elektrické energie a to eliminací některých rušivých vlivů v napájecí síti.

Každý druh a provedení kondiciačního zařízení postihuje shora uvedené parametry svým specifickým způsobem. Čím jsou lépe zaručeny tím je zařízení složitější, dražší a náročnější a ve veřejném rozvodu elektřiny méně uplatnitelné.

Pro linkové kondicionéry jsou požadovány minimálně tyto konkrétní hodnoty:

  • Vyrovnání poklesu vstupního napětí až do 20 % (výjimečně až do 30 %)
  • Udržování napětí na výstupu v mezích 5 %
  • Rychlost působení co nejvyšší
  • Zpoždění méně než 0,1 s - pomalá regulace - stabilizátor napětí
  • Zpoždění méně než 0,01 s - rychlá regulace - odstraní flikr

Princip kondicionéru

alinkk5obr. 3 Schéma připojení linkového kondicionéru

 

G – síťový zdroj (např. transformační stanice)
GK – linkový kondicionér (měničová část)
I1 – proud do zátěže
I2 – proud do měniče kondicionéru
I3 – proud do primáru TS (I3 = I1 / p)
U0 - napětí síťového zdroje
U1 - napětí na vstupu kondicionéru
U2 - napětí na výstupu kondicionéru (U2 = U0)
TS - sériový transformátor kondicionéru
Z1 – impedance vedení (linky)
Z2 – impedance zátěže

Při úvahách o velikosti úbytků a kolísání napětí se vždy předpokládá, že u zdroje energie tj. na přípojném bodě VN nebo na začátku vedení NN jsou parametry napětí (U0) vyhovující a nedostatky (poklesy napětí atd.) jsou vyvolány činností spotřebičů.

Úbytky napětí jsou tvořeny jak známo úbytky na impedanci Z1, tedy přesněji na odporu vedení RV a reaktanci vedení XV. Přitom protékající proud vykazuje dle charakteru Z2 složku činnou IR a složku reaktivní IX, většinou induktivního charakteru. S jistým zjednodušením jsme oprávněni psát pro celkový úbytek:

vzorec11

klasické teorie sítí i některých současných měření lze stručně soudit, že odběrný proud uvažovaných měkkých sítí NN má dvě složky:

  • základní, pomalu proměnnou, převážně činného charakteru
  • přechodnou, rychle se měnící, převážně induktivního charakteru

Charakter vedení NN může být rozličný, venkovní i kabelová vedení mají průřez od 35 do 75 mm2 a odpovídající odpor vodiče činí 0,3 až 1,5 W. Reaktance venkovních vedení NN je málo závislá na průřezu a činí přibližně 0,3 W. Při přibližně symetrickém zatížení vedení se uplatňují jen úbytky krajních vodičů, úbytek na nezatíženém středním vodiči (PEN) není významný. Při výrazně nesymetrickém zatížení fází se uplatňuje i přibližně stejně velký úbytek na středním vodiči. Při stejném proudu je tedy pokles napětí až dvojnásobný.

Při vhodném rozvržení spotřebitelů a zapojení jednotlivých spotřebičů lze udržet symetrii odběru a tím i přijatelné úbytky pro základní složku odběru. Rychle proměnná složka (rozběhy elektromotorů, rychlovarné konvice, mikrovlnné trouby atd.) podléhá více náhodným fluktuacím a sumacím, takže symetrického odběru prakticky nelze dosáhnout. Úbytky na středním vodiči mají obecně libovolnou fázi.

Ilustrace poměrů je znázorněna na obr. 4. Je zde graficky zpracována závislost fázového napětí na okamžitém odběrném proudu v typickém místě uvažovaném pro instalaci kondicionéru. K výrazné přímkové závislosti odvoditelné také výpočtem se přičítá rozptyl způsobený proměnlivým účiníkem zátěže a nerovnoměrností proudu ostatních fázových vodičů.

alinkk7obr. 4 Závislost poklesu napětí na proudu zátěže
(v místě předpokládané instalace kondicionéru)

 

Opakují-li se změny napětí víceméně pravidelně byť v relativně malých mezích, zvyšuje se ve spojitosti s běžným elektrickým osvětlením (žárovky) citlivost odběratelů na toto subjektivně vnímané kolísání (blikání - flikr). V takových případech se příznivě uplatňuje co nejvyšší rychlost působení regulace kondicionéru. Maximální citlivost lidského oka je udávána v rozsahu kmitočtu fluktuací 1 až 10 Hz.

Cílem regulace výstupního napětí kondicionéru je dosáhnout vyšrafované oblasti v obr. 4. Horní a dolní meze normami povoleného kolísání efektivní hodnoty napětí jsou vyznačeny čárkovanými čarami.

Režim kondicionéru, jak již bylo uvedeno je pak možno rozdělit do dvou způsobů řízení:

  • Klasická regulace na požadovanou efektivní hodnotu napětí v každé periodě se zpožděním tak, aby nedošlo k přídavnému blikání
  • Rychlá regulace na referenční sinusovku v každém okamžiku, tedy v podstatě sériový aktivní filtr. Tato regulace umožňuje i odstranění deformačního výkonu, resp. eliminaci harmonických napětí.

Druhý způsob regulace je značně náročnější a předpokládá využití signálového procesoru a zvláštního matematického nástroje. Při druhém typu regulace je nutno matematicky vyloučit užitečné signály HDO, tak aby nebyly ovlivněny činností kondicionéru.

Využití měničů s pulzně - šířkovou modulací

Pulzně-šířková modulace (PWM) je dnes běžný způsob regulace toku elektrické energie pomocí rychlého zapínání obvodů výkonnými tranzistory IGBT. Na tomto principu pracují téměř všechny nové měniče pro pohony, napájecí zdroje (UPS) a jiné průmyslové spotřebiče.

Kondicionéry jsou založeny na principu zpracování jen části výkonu nezbytně nutného k doplnění deficitu vzniklého úbytky na vedení nebo ke zklidnění odběru.

alinkk9obr. 5 Obecné blokové schéma linkového kondicionéru

 

Vedení s předpokládanou měkkou charakteristikou končí na vstupu do kondicionéru. Mezi vstupní a výstupní svorky je vřazeno sekundární vinutí přídavného sériového transformátoru. Primární vinutí je napájeno ze soustavy. Blokové schéma celé soustavy je dle obr. 5 tvořeno:

  • Vstupním ochranným obvodem a RFI filtrem
  • Usměrňovačem
  • Akumulační kondenzátorovou baterií
  • Tranzistorovým střídačem PWM
  • Výstupním ochranným obvodem, který má tyto funkce:
    • Zamezení pronikání spínacího kmitočtu PWM do výstupu kondicionéru
    • Odrušení v oblasti vysokofrekvenčních sdělovacích pásem
    • Likvidace nebezpečných přepětí
  • Zkratování primárních vinutí sériových transformátů TS v případě poruchových stavů zařízení libovolného původu nebo zkratu na vedení.
  • Řídicím subsystémem tvořeným mikroprocesorovou jednotkou. Při oživení nebo nastavování parametrů se k systému připojuje terminál TERM401.

Možnosti kondicionéru

Kondicionér není zdrojem energie a proto vyrovnání výstupního napětí má své fyzikální meze. Pokles napětí -30 % lze považovat, nehledě na vysoké ztráty s tím spojené, za mez principu sériové kompenzace úbytků ve vedení. Ten totiž předpokládá, že výkon potřebný v sériovém obvodu viz obr. 5 (Střídač PWM + sériový transformátor) je nutno odebrat z paralelního obvodu (Vstupní obvod + usměrňovač) a tím se dále prohloubí pokles napětí v přípojném bodě. Nejvyšší výkon, který lze z vedení o impedanci Z1 odebrat spotřebičem o impedanci Z2 vychází v případě, že Z1 = Z2. Tomu odpovídá pokles napětí na 50 %. K témuž stavu dochází také při snaze o kondicionování přirozených úbytků nad 30 % a což vede v důsledku ke zhroucení systému.

Využití technologie kondicionérů pro energetiku

Protože v ČR existuje řada výběžků sítí NN, které také nezaručují dodávku elektřiny v jakosti dle nových norem a požadavků a případná jejich rekonstrukce se jeví časově i finančně zatím nemožná byla pro tyto účely připravena první řada linkových kondicionérů.

Při ceně zařízení v opakované výrobě je výhodná aplikace kondicionéru proti přestavbě vedení, kde ve většině případů nestačí pouhé posílení stávajícího vedení NN a bylo by nutno provést rozsáhlejší rekonstrukcí celé sítě.

Výkon linkového kondicionéru je uveden jako výkon průchozí, vlastní výkon měniče je menší a je asi 20 % výkonu průchozího viz tab. 1. Například linkový kondicionér o výkonu 36 kVA má výkon měniče 7,2 kVA. Vzhledem k tomu, že měniče pracují s účinností vyšší než-li 95 % pak ztrátový výkon měniče je asi 300 W.

Linkový kondicionér tedy reguluje efektivní hodnotu napětí v každé následující periodě, symetrizuje, odstraňuje efekt blikání (flikr). V provedení velice rychlém (aktivní sériový filtr), pak umožňuje odstranit deformační výkon (vyhladit křivku napětí) resp. odstranit určité harmonické. Dále umožňuje vylepšit bilanci výkonů činného a jalového.

V praxi pro použití v distribučních sítích plně vyhovuje regulace na požadovanou efektivní hodnotu výstupního napětí popř. v provedení s možností eliminace flikru.

alinkk11obr. 6 Linkový kondicionér EAFS072 - napájecí, řídicí a měničová část

 

alinkk12obr. 7 Montáž linkového kondicionéru EAFS036

 

Výsledky měření

Při nasazení kondicionéru do praktického užití bylo provedeno základní měření před a po nasazení kondicionéru. Na obr. 8 je znázorněn průběh efektivní hodnoty napětí ve všech třech fázích v bodě distribuční sítě, která napájí odlehlou oblast. Z průběhu napětí, které je zde znázorněno po dobu několika dnů je zřejmé, že kolísání napětí je veliké a v mnoha případech dosahuje hodnot pod normou povolené meze.

Po zapojení linkového kondicionéru do napájecí sítě došlo k výraznému vylepšení kvality elektrické energie. Na obr. 9 je znázorněn průběh napětí ve stejném místě po zapnutí kondicionéru. Rozdíl v kvalitě napájení je zřejmý. Jistou nevýhodou tohoto typu kondicionéru je, že neumí regulovat napětí dolů. Předpokládá se však, že použití kondicionéru bude právě v místech, kde dochází spíš k podpětí než k nadpětí.

alinkk11obr. 8 Průběh efektivní hodnoty napětí před aplikací kondicionéru

 

alinkk12obr. 9 Průběh efektivní hodnoty napětí po zapnutí kondicionéru

 

Stáhnout