Poruchy napětí - Poklesy napětí v nepřetržitých procesech

Dipl-Ing Marcel Didden, Katholieke Universiteit Leuven, June 2003
Překlad: Josef Gavlas, Miloslav Kužela, Pavel Santarius, FEI Technická univerzita Ostrava, prosinec 2002

Úvod
Tato část popisuje případovou studii poklesů napětí v Belgii. Jeden z průmyslových procesů, známý pro svou citlivost, je průtlačné lisování umělých hmot v textilním průmyslu. V tomto procesu se taví plastické úlomky, transformují se na vlákna a konečně navíjejí na válce. Tato vlákna se používají např. na výrobu koberců. Belgie je největší vývozce koberců na světě a druhý největší výrobce po USA.
Abychom získali jasnou představu o velikosti problému s poklesy napětí v belgických firmách s průtlačným lisováním, byl proveden průzkum u 9 uživatelů tohoto procesu. Bylo zjištěno, že průměrný počet přerušení výroby za rok v důsledku poklesu napětí byl 4.
Na základě důkladného auditu v jedné z těchto společností byly popsány následující tři tématické okruhy:

• výrobní proces
• finanční ztráta v důsledku nuceného zastavení výroby a konfigurace elektrické sítě
• možné řešení jak snížit škody, z hlediska technického i ekonomického

Problémová analýza
Zkoumána firma vykonává 3 procesy, které jsou citlivé na poklesy napětí: bytnění nekonečného vlákna (Bulk Continuous Filament-BCF), nekonečné vlákno (Continuous Filament-CF) a tepelná úprava vlákna. V tomto dokumentu zkoumáme chování procesu BCF.

Výrobní proces

Klik pro větší náhled.
Obr.1 ukazuje hlavní podproces na BCF lince s průtlačným lisováním, která vyrábí textilní vlákna z polymerových úlomků.

Rozlišujeme následující kroky:

• výtlačný lis taví úlomky na homogenní substanci,
• homogenní substance se zatlačí do přístroje s malými otvory (nazývané výtlačné čerpadlo), odkud vychází vlákno (tavné protlačování),
• nakonec se vlákno roztahuje, zkrucuje a navíjí na cívky.

K zabezpečení každého ze zmíněných procesů se používá několik pohonů.

Už z pohledu na specifikaci pohonů a z komunikace s výrobci jsme dospěli k zajímavému závěru. Všechny pohony používané ve vybrané textilní společnosti pocházejí od různých výrobců a mají svou vlastní charakteristiku imunity vůči napěťovým poklesům.
Obecně, tato úroveň imunity významně nepřesahuje kompatibilní úroveň 90% (přídržné napětí) stanovenou technickou normou EN 50160.

Pokud se jeden z komponentů vypne v důsledku napěťových poklesů, celý proces se přeruší. To znamená, že nejslabší článek určuje chování v průběhu procesu vůči napěťovým poklesům a každý komponent se musí zkoumat samostatně.

Výrobci textilních protlačních lisovacích strojů také nabízejí výrobní linky s jednoznačně uvedenou imunitou vůči poklesům. Tuto možnost jsme nezkoumali detailně, protože tato případová studie byla provedena na existující výrobní lince.
První komponenta, výtlačný lis, je poháněný stejnosměrným motorem. Motor je vybaven analogovým řízením s měnitelnou rychlostí. Aby se chránila elektronika v pohonu, je podpěťová ochrana nastavena na velmi citlivou úroveň. Zablokuje celý proces, kdykoli zaregistruje úbytek napětí o 20% nebo více na jedné nebo více fázích.
Výtlačná čerpadla jsou vybavena pohonem s měnitelnou rychlostí. Podpěťová ochrana těchto pohonů zablokuje proces, pokud stejnosměrné napětí klesne o 15%. Odkaz (4) ukazuje, že tyto přístroje jsou vždy citlivé na 3-fázové poklesy a někdy na 1 nebo 2-fázové poklesy.
Roztahování, zkrucování a navíjení probíhá regulačními pohony, které jsou napájeny ze společné stejnosměrné sběrnice. Tyto pohony jsou vybaveny kinetickým tlumením, motory působí jako generátor během poklesu a zpátky napájejí energií stejnosměrnou sběrnici.
Z toho usuzujeme, že když zkoumáme metody zmírnění, musíme brát v úvahu jak pohon výtlačného lisu, tak pohon výtlačného čerpadla.
Dva další možné okruhy zájmu jsou regulace vzduchu a řízení elektronického procesu. Naše výzkumy ukážou, že tohle není nutné studovat dál detailně.

Finanční ztráty
Okamžitě po poklesu napětí, který zastaví proces, se začne s postupným restartováním výrobních linek. Podle počtu linek (obvykle 10-20) se celý proces obnoví za 2-4 hodiny. To znamená, že průměrný výpadek výroby je 1-2 hodiny. Nesníží to použití surovin během těchto 4 hodin, protože samotný výtlačný lis bude nastartován okamžitě po poklesu. Kdyby výtlačný lis nebyl okamžitě nastartován a tavený materiál by zůstal uvnitř výtlačného lisu, shořel by při opětovném zahřívání a shořené částice by vycházely postupně po několik dní, což by mělo za následek nízkou kvalitu výrobků. Náklady na takové spálení by převyšovaly náklady na vyřazení nadměrného polypropylénu po vytlačení. Dále, protože dělníci čistí přístroje sami, náklady na pracovní sílu to neovlivní.
Hlavní ovlivňující faktor, pokud jde o finanční ztráty, je, zda je nebo není výroba nepřetržitá. U nepřetržité výroby, jak je praxí v této firmě, tato ztráta během zastavení se nedá nahradit prací přesčas, a tak se ztráta ve výrobě automaticky odečítá přímo ze zisku-tj. ztráta se rovná hodnotě nevyrobeného produktu, jako důsledek prostoje. Pokud nejde o nepřetržitý výrobní proces, ztráta ve výrobě se dá nahradit přesčasovou prací, ale zvýší se náklady na pracovní sílu.

Klik pro větší náhled.
Obr.2 – Přehledové schéma spojení elektrické sítě (čtverce ukazují původ místo a datumy poruch)

Elektrická síť a původ škod
Obr. 2 ukazuje elektrickou síť v blízkosti zkoumané firmy. Síť je realizována 3 přípojkami ke 400kV napájecí síti (vyznačené čárkovanými linkami). Štítky ukazují místo a datumy (měsíc/rok) poruch, které vedly k přerušení procesu po dobu monitorování 3,5 roku. Můžeme vidět, že poruchy v 15kV distribuční síti způsobují většinu zastavení výrobního procesu. Monitor poklesů napětí instalovaný na elektrickém vstupu firmy s průtlačným lisováním ukazuje, že většina poruch jsou 3-fázové poruchy. Když porovnáme přerušení výrobního procesu s výstupem monitoru poklesů napětí, vidíme, že zařízení je odolné vůči 3-fázovým poruchám, které vedou k poklesům napětí se zbytkovým napětím nad 84%. Z pohledu na výrobní specifikaci komponentů je patrné, že regulační pohony jsou skutečně slabé články tohoto procesu. Jedno z možných vysvětlení vysokého výskytu 3-fázových poruch jsou výkopové práce v přilehlém okolí.

Pásmo poruchovosti
Pojem „pásmo poruchovosti“ (např./5/) se používá na vizualizaci zbytkového napětí ve firmě s průtlačným lisováním vlivem 3-fázového zkratu někde v síti. Obr.3 ukazuje toto pásmo poruchovosti pro symetrické 3-fázové zkraty. Protože právě tyto poruchy způsobují většinu přerušení výrobního procesu, nemusíme použít sofistikované klasifikace poklesů napětí jak je popsáno v /1/. Např. kabel nebo sběrnicový vodič v síti situované v šedé oblasti 50-75% naznačuje, že 3-fázový zkrat u tohoto kabelu nebo sběrnicového vodiče bude vést k poklesu napětí ve firmě s průtlačným lisováním se zbytkovým napětím mezi 50-75%.
Protože pohony výtlačných lisů a pohony výtlačných čerpadel jsou citlivé na zkraty se zbytkovým napětím nižším než 75%, můžeme vyvodit závěr, že velká část distribuční sítě je situována v oblasti pásma poruchovosti firmy s průtlačným lisováním. Tohle musí být vzato v úvahu při výzkumu metod zmírnění.

Klik pro větší náhled.
Obr.3 – Pásma poruchovosti

Metody zmírnění
Když mluvíme o metodách zmírnění, všimněme si blokového schématu na obr. 4 /5/. Na tomto obrázku jsou uvedeny 4 možnosti, které jsou zkoumány v dalších částech.

Klik pro větší náhled.
Obr.4 – Řešení jak snížit náklady v důsledku poklesů napětí /5/

Specifikace zařízení/ochrana řízení
Před výměnou zařízení je důležité udělat si inventář všech částí procesu, které jsou náchylné na poklesy. Fakt, že jedna část zařízení selže jako první, neznamená, že ostatní části jsou vůči poklesům imunní, a existuje velké riziko, že když se ochrání nejslabší složka, selže nějaká jiná část zařízení. Z předchozího vyplývá, že si určitě musíme všímat jak pohonů výtlačných lisů, tak pohonů výtlačných čerpadel. Musíme si být vědomi, že ochrana pouze těchto pohonů nezaručuje významný pokles počtu přerušení vlivem poklesů, protože nejslabšími články mohou být ostatní části instalace.
Z komunikace s výrobcem pohonů výtlačných čerpadel vyplynulo, že pohon není možné upravit, protože je to analogový návrh a měnit jeho charakteristiku, jako např. nastavení ochrany, vyžaduje změny v hardware. Kvůli tomu, že stejnosměrné sběrnice regulačního pohonu není přístupna zvenčí, je nemožné podpořit tuto sběrnici, např. zesilovacím převodníkem (boost converter) /6/ anebo aktivní přední částí /7/. Dále od výrobce kompletní linky s průtlačným lisováním máme informaci, že pohon se nemůže vyměnit za jiný kvůli software. Z toho vyplývá, že další výzkum v této oblasti nemá žádný význam.

Ochrana uvnitř podniku
Zkoumali jsme několik možných metod celkové nebo částečné ochrany systému. Celý systém má zdánlivý výkon 1,625kVA. Protože 955kVA je jenom pro účely topení, zkoumali jsme také ochranu procesu, který napájí systém. Když je chráněna jenom část systému, musí se nainstalovat přídavný statický spínač, což vede ke schématu na obr. 5.
Nejdříve jsme zkoumali použití UPS formou setrvačníku s dieselovým motorem. Za druhé jsme zkoumali jiné systémy, které chránily jenom proti poklesům napětí a ne proti přerušením napětí. Příklady těchto systémů jsou:

• Dynamický obnovovač napětí (DVR): DVR pouze přidává chybějící napětí v síti (např./8/).
• Dynamické sériové kondenzátory (DySC): DySC je zařízení výkonové elektroniky, které obsahuje sériový korektor poklesů a paralelní měnič, který zabezpečuje imunitu vůči napěťovým poklesům s minimálním zbytkovým napětím 50% a 2s, což pokrývá 92% napěťových poklesů, které byly popsány v rozsáhlé studii sponzorované EPRI /3/.
• Setrvačník: setrvačník bez dieselového generátoru chrání zařízení vůči všem poklesům, pokud setrvačná energie setrvačníku může podporovat zatížení. Většina setrvačníků může dodat jmenovité zatížení pro 3-15s, které je dostatečné na ochranu vůči všem napěťovým poklesům, ale ne vůči přerušením napětí.

Obr.5 – Chráněná část procesu

Nákupní ceny pro všechna výše zmíněná zařízení na zmírnění poklesů se podstatně neliší. Avšak měli bychom vzít v úvahu roční náklady na údržbu a náhradu ztrát a v tom případě má nejnižší náklady DySC. Když vezmeme v úvahu, že všechny zaznamenané poklesy měly zbytkové napětí převyšující 50%, dospějeme k závěru, že všechny výše uvedené systémy by ochránily proces proti těmto poklesům.
Zkoumali jsme také použití separátních UPS zařízení u všech pohonů. Ukázalo se, že je to daleko nákladnější než jiné možnosti vzhledem k velkému množství výkonové elektroniky.

Řešení v energetické společnosti: změnit elektrickou síť
Prostojům v procesu se můžeme vyhnout, když změníme napájecí síť. Zkoumali jsme dvě možnosti:

• přidání 10 MW generátoru
• změna konfigurace sítě

Přidání generátoru podrží zbytkové napětí:

Kde
∆U je nárůst napětí v % jmenovitého sdruženého napětí
Sg je jmenovitý výkon generátoru
Sk je zkratový výkon
α je fázový úhel zkratové impendance
Φ je fázový úhel generátorového proudu

Druhá možnost je změnit konfiguraci sítě. U této možnosti bude podnik připojen na jiný napáječ, separovaný od okolí.
Obě možnosti jsou zobrazeny na obr.6.
Při porovnání obr.3 a obr.6a dospějeme k závěru, že přidání generátoru o výkonu 10MW příliš nepomůže. Avšak změna konfigurace sítě (obr.6b) změní pásmo poruchovosti a zajistí, že poklesy napětí už nebudou škodit v distribučním systému 15kV. Další výhodou je fakt, že tato změna konfigurace nebude chránit jenom BCF proces, ale také další 2 dříve zmíněné procesy (nekonečné vlákno a tepelná úprava vlákna).
Protože úpravy sítě měly být provedeny provozovatelem sítě z jiných důvodů, jsou účtovány firmě s průtlačným lisováním pouze dodatečné náklady na oddělení 2 sběrnic.

Ekonomická analýza
Když porovnáme různé možnosti, musíme vzít v úvahu dvoje náklady:

• náklady na ztráty způsobené poklesy napětí, nesmíme zapomenout, že dokonce i po zavedení ochranných opatření zůstává stále určité riziko
• náklady na ochranná opatření

Klik pro větší náhled.
Obr.6 Pásma poruchovosti
a) Přidání 10 MW generátoru b) Změna struktury sítě

Je-li řešení efektivní nebo ne, závisí také od toho, jaké ekonomické kriterium použijeme k hodnocení řešení. O tom více v části 2 tohoto Průvodce. Pro tuto studii použijeme metodu čisté současné hodnoty (Net Present value) s požadovanou mírou návratnosti 15% a životností zařízení 10 let.
Když kalkulujeme celkové náklady popsaných možností, získáme výsledky seřazené v Tabulce 1, ve které jsou ztrátové náklady před zmírněním normalizovány na 100. Zbývající náklady na kvalitu napětí u varianty A můžeme vysvětlit pomocí 3 poruch v přenosové síti (obr.2).
Zbývající náklady na kvalitu napětí u variant B-E jsou náklady na nechráněné procesy CF a Heat set.

Tabulka 1 – Porovnání různých možností zmírnění (náklady před zmírněním jsou 100%)

1 Tyto náklady zahrnují údržbu a pevné náklady, které činí 5% nákupní ceny ročně v případě UPS a 1% pro DySC.

Obr.7 ukazuje, že pouze možnost, u které je změněna konfigurace sítě, je ekonomicky zajímavá z hlediska ekonomických kriterií.

Obr.7 – Celkové náklady na různé varianty pro belgickou textilní společnost s procesem průtlačného lisování.
Náklady vyjádřeny v % u základního případu „nyní“, viz. Tabulka 1 pro definice A-E.

Ačkoli některé společnosti zvažují horizont projektu 10 let pro takovou investici jako velmi dlouhý, tato společnost se rozhodla investovat. Byly námitky, že některé nepřímé nebo skryté náklady, které je těžko odhadnout, nejsou vzaty v úvahu v této kalkulaci. Takové náklady zahrnují např. nespokojenost pracovní síly kvůli přerušením způsobenými poklesy a rychlejší opotřebování strojů.
Pro ilustraci, že výsledek případové studie poklesů napětí závisí především na lokalitě, slouží obr.8, který ukazuje případovou studií v závodě s průtlačným lisováním plastů Elektrotek Concepts /2/. V této případové studii, kde počet ročních přerušení procesu dosahoval téměř 15, nebyla možná žádna změna konfigurace sítě. V tomto případě se ukázala nejlevnějším řešením ochrana řízení strojů a navíječek.

Obr.8 – Celkové náklady u různych možností v případové studii Elektrotek Concepts /2/
a) Základní stav – žádná změna b) primární statický spínač
c) Akumulátor energie na vstupu (2 MVA) d) ochrana regulace strojů a navíječek
e) Kombinovaný statický spínač s ochranou regulace

Závěr
Na základě případové studie belgickéo textilního závodu tato část ukazuje návod jak vykonat případovou studii poklesů napětí. Shromáždili jsme informace o výrobním procesu, o jeho imunitě vůči poklesům napětí, o finanční ztrátě kvůli přerušení výroby a údaje o ročním počtu poklesů. Pokud se shromáždí takové informace, může být zahájen výzkum možností redukce nákladů na prostoje. Tyto možnosti můžeme zařadit do 3 skupin:

1. unvitř samotného procesu

2. mezi procesem a napájecí síti

3. uvnitř napájecí sítě

Zvýšení odolnosti mezi procesem a napájecí síti může být aplikována v každé situaci, zatímco možnosti zvýšení odolnosti uvnitř procesu samotného anebo uvnitř napájecí sítě se musí studovat zvlášť v každém případě.
Z naší případové studie vyplynulo, že zvýšení odolnosti uvnitř procesu nebylo možné. Možnosti zvýšení odolnosti mezi procesem a napájecí síti se ukázaly jako velmi nákladné a změna struktury sítě byla jediným finančně možným řešením.
Jiná případová studie procesu s průtlačným lisováním plastů, vykonána u Electrotek Concepts, ukázala ochranu regulace a navíječek jako nejefektivnější řešení z hlediska nákladů.
Z výše uvedených případových studií a následné diskuse s výrobci strojů s průtlačným lisováním vyplývá několik dodatečných zajímavých závěrů:

• Standardní produkty od výrobců strojů s průtlačným lisováním mají minimální odolnost vůči poklesům nad rámec závazných norem.

• Dodatečné vybavení textilních linek s průtlačným lisováním po jejich instalaci je někdy možné. Proto doporučujeme uživatelům textilních průtlačných strojů, aby kontaktovali svého dodavatele elektřiny anebo provozovatele sítě kvůli počtu a charakteristice poklesů za několik posledních let. Na základě této informace mohou instalovat stroje s požadovanou odolností vůči poklesům napětí místo nákupu jiných s malou nebo žádnou odolností proti poklesům napětí.

Dipl-Ing Marcel Didden, Katholieke Universiteit Leuven, June 2003
Překlad: Josef Gavlas, Miloslav Kužela, Pavel Santarius, FEI Technická univerzita Ostrava, prosinec 2002