Sårbar strømforsyning i industrielt utstyr - Elektronikknett
yay-1531127-manufacturing

Sårbar strømforsyning i industrielt utstyr

Industrianlegg taper store summer på strømproblemer. Men neste generasjon overvåkingsteknologi for kraftkvalitet kan hjelpe industrielt utstyr å holde seg friskt.

I følge en fersk studie publisert av Electric Power Research Institute (EPRI), taper store industrianlegg i USA over 100 milliarder dollar hvert år på grunn av strømproblemer, inkludert variasjoner i strømforsyningen og spenningsforstyrrelser. Når lysene flimrer hjemme, er det en irritasjon. Men når strømmen blir forstyrret på en fabrikk, kan det føre til funksjonsfeil og tidlig sammenbrudd på dyrt utstyr.

Behov for overvåking
Mindre strømkvalitetsforstyrrelser passerer ofte uoppdaget gjennom tradisjonelle nettverksbeskyttelser og bidrar til nedbrytning av utstyr over tid. Videre er kilden til mange forstyrrelser i kraftkvaliteten lastene som er koblet til det samme nettverket. Dette forårsaker forstyrrelser som forplantes gjennom tilstøtende fasiliteter og bygninger. For å takle utfordringene med kraftkvalitet, er det nødvendig å overvåke innganger og forstyrrelser generert av lasten. Overvåking av kraftkvalitet kan gi tilpasset beskyttelse av utstyret og kan bidra til å identifisere egnede teknikker som forbedrer strømkvaliteten.

Ved å utnytte teknologien fullt ut, vil dyr infrastruktur trekke fordeler av ren kraft og utvidet levetid.

Skjult risiko
Kraftkvalitet refererer til en rekke variasjoner i kraften som leveres til utstyrskunder. Det kan omfatte kablingsproblemer, problemer med jording, svitsjetransienter, lastvariasjoner og generering av harmoniske. I mange tilfelle kan dårlig kraftkvalitet unngå å bli oppdaget, men allikevel skade dyrt utstyr. I Europa defineres kvaliteten på elektrisitet som leveres av en nettoperatør av referanseparametere satt i nasjonale nettstandarder og europeiske standarder (EN 50160). Når forsyningsspenningen er forringet, trekker en enhet ikke-sinusoidale strømmer som kan forårsake tekniske problemer som overoppheting, funksjonsfeil og for tidlig aldring. Den ikke-sinusoidale strømmen forårsaker også termisk- og isolasjonsstress på nettverksenheter, for eksempel i transformatorer og mate-kabler. Dårlig kraftkvalitet resulterer til slutt i økonomiske tap forårsaket av driftsstans for utstyr, økt vedlikehold og kortere levetid. I denne artikkelen vil virkningene av dårlig kraftkvalitet bli analysert med utgangspunkt i industrielt utstyr og hvordan man kan forbedre maskinhelsen.

137934-fig-01 Figur 1. Ulike kilder til problemer med strømkvalitet i a) USA b) Europa.

Hvor oppstår problemene?
Figur 1a oppsummerer en studie som Electric Power Research Institute har utført for distribusjon av kraftkvalitet blant 24 leverandører over hele USA. Majoriteten (85%) av hendelser med kraftkvalitet stammer fra spenningsfall eller -stigninger, harmoniske og kabling, samt jordingsproblemer. Figur 1b viser resultatene fra en tilsvarende europeisk undersøkelse, som estimerte at problemer med kraftkvalitet i EU-25-land skaper et økonomisk tap på mer enn 156 milliarder USD per år (150 milliarder euro). I industrielt miljø kan start og stopp av tunge laster føre til spenningsfall og stigninger som flytter nettverksspenningene utenfor standard driftsforhold. Ettersom det meste utstyret er laget for å fungere under visse driftsforhold, vil langvarige spenningsfall og stigninger føre til stans og prosessbrudd.

137934-fig-02 Figur 2. Visualisering av nettverksspenninger og strømmer under forskjellige forvrengningseffekter.

Fornybart og harmoniske
I dagens forretningsklima vurderer eller installerer mange selskaper fornybare energikilder lokalt, for eksempel sol og vind. I mange tilfeller fører slike distribuerte generasjonskilder til behov for svitsjede strømforsyninger i elektriske installasjoner. Med økt bruk av kraftelektronikk og svitsjede strømforsyninger, vil harmoniske bli en mer vanlig kilde til problemer for kraftkvaliteten i industrielt utstyr. Denne typen strømforsyninger kan injisere harmoniske på elektriske linjer og forringe strømkvaliteten slik at alt som er knyttet til forsyningsnettet påvirkes, inkludert transformatorer og kabler. Anleggsledere kan ofte observere virkninger av store harmoniske strømmer når nettverkskomponentene blir overbelastet. I noen tilfeller kan økninger i totale tap på 0,1% til 0,5% på nettverkskomponenter føre til trigging av beskyttelsesutstyr. Noen andre forekomster som kan bidra til dårlig strømkvalitet inkluderer differensialbelastning av faser, feil lednings- og jordingsoppsett, last interaksjoner, EMI/EMC, og svitsjing av store reaktive nettverk.

Kraftkvalitetsstandarder
For å håndtere og styre kraftkvalitet, må man finne en pålitelig overvåkings- og rapporteringsmetode. Noen av de viktigste standardene som er skapt av industrien er IEC 61000-4-30 klasse A og klasse S, IEC61000-4-7 harmoniske målinger og IEC61000-4-15 for flimmer. De fleste kraftleverandørene har vedtatt disse kvalitetsstandardene for å utvikle og håndheve forskriftene. I visse tilfeller kan leverandøren straffe en kunde hvis strømkvalitetsstandarder ikke oppfyller forskriften. Industristandarder skaper ikke bare en felles forståelse av kraftkvalitet i virkelige applikasjoner, men gir også brukerne tillit til at de har nøyaktige data for å løse problemer relatert til hendelser. I elektriske nettverk inneholder spenningsfall, stigninger, flimmer, variasjon i nominelle verdier og forvrengning på grunn av harmoniske, nøkkelinformasjon om elektrisk helse i nettverket. Målenøyaktighet er nøkkelen til å gi pålitelige og repeterbare resultater.

137934-fig-03 Figur 3. Informasjon og rapportering fra kraftkvalitetsmonitorer.
137934-fig-04 Figur 4. Funksjonelt blokkskjema for ADE9000. Høyt integrert, flerfase-energi og kraftkvalitetsovervåkingskrets.

Nett- og maskinhelse
Moderne kraftkvalitetsutstyr gir informasjon som vil sammenligne den generelle systemytelsen, hjelpe til med forebyggende vedlikehold, overvåke trender og forhold, vurdere nettverksytelse og følsomhet for prosessutstyr og forbedre energiforholdene. Et nettverk av monitorer for kraftkvalitet kan installeres på forsyningssystemer, og de rå måledataene kan samles for å korrelere og hjelpe til med å identifisere forstyrrelseskilder. Overvåking av kraftkvalitet kan også være en del av et innebygd utstyrsdesign for tettere integrasjon og kontroll. En unik elektrisk signatur fra en maskin kan fanges opp for å forstå generell helse. Konklusjoner fra dataanalyse og diagnostikk kan gi pålitelige innspill til design av neste generasjons beskyttelsesalgoritmer og produkter for å forbedre strømkvaliteten.

Skadebegrensning
Hvis utstyret allerede er distribuert i et fabrikkmiljø, kan kraftkvalitetsprofilen brukes til å bestemme de beste skadebegrensnings teknikkene. For eksempel avslørte profilering av kraftkvalitet i et industrianlegg i India betydelige forvrengninger av spennings- og strømbølgeformer. Etter omfattende analyse ble et hybrid effektfaktorkorreksjonssystem installert på fabrikken. Med det nye korreksjonssystemet endret effektfaktoren seg fra-0,5 til +0,9 og THD ble forbedret med 50%.

Kraftkvalitetsanalysator
Tidligere krevde nøyaktige analyser av kraftkvalitet betydelig teknisk kompetanse og involverte ofte bruk av diskrete komponenter og utvikling av tilpassede algoritmer for måling av kvaliteten. En ny klasse av kraftkvalitets analog front-ende (AFE) integrerer høyytelses ADCer med lav total drift, og en DSP-kjerne. Denne integrerte AFE’en reduserer kompleksitet og kostnader forbundet med en diskret design tilnærming, og skriving av egne algoritmer.

137934-fig-05 Figur 5. Typisk signalkjede for kraftkvalitetsovervåking.

Den integrerte AFE’en beregner og gir parametere for effektkvalitet som fall, stigning, rms, fasesekvens feil og effektfaktor verdier. Den henter også harmonisk innhold i linjefrekvensen fra inngangssignalet. Analog Devices har lagd ny klasse kraftkvalitetsmonitor  løsning kalt ADE9000. Det absorberer det meste av kompleksiteten i beregninger og forenkler tid og krefter for å implementere et overvåkingssystem for kraftkvalitet.

Innsikt med Big Data-analyse
Når individuelle enheter i industrielle omgivelser blir mer tilkoblet og bruk av IoT akselererer, vil informasjon om strømkvalitet fra distribuert utstyr kunne samles inn og utnyttes på nye måter. For eksempel kan man analysere historiske trender og oppdage et voksende problem tidlig. I et nettverk kan sanntidsdata fra flere noder brukes til å identifisere og isolere en forstyrrelse. Dataanalyse for diagnostisering av maskiner, forebyggende vedlikehold og isolering av problembelastninger er nye måter å redusere prosessavbrudd på, øke utstyrets levetid og forbedre oppetid.

Økende kompleksitet
Det totale energibehovet over hele verden forventes å vokse omtrent 5% årlig. Størrelsen og kompleksiteten til utstyr koblet til nettet vil vokse, og forstyrrelsene i kraftkvaliteten vil øke proporsjonalt. Moderne virksomheter vil bli stadig mer avhengig av elektrisk energi som er ren, pålitelig og alltid på. Ved å bruke neste generasjons overvåkingsteknologi for kraftkvalitet, kan eiere av industrielt utstyr forvente å se færre tilfeller av for tidlig maskinsvikt eller slitasje, og dra nytte av ren strøm.

Kommentarer