Taajuusmuuttajien vaikutus muuntajan kuormitettavuuteen
Engström, Joakim (2012)
Engström, Joakim
Arcada - Nylands svenska yrkeshögskola
2012
All rights reserved
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:amk-2012061512758
https://urn.fi/URN:NBN:fi:amk-2012061512758
Tiivistelmä
Taajuusmuuttajia käytetään laajalti teollisuudessa moottorien ohjauksena niiden tuoman hyödyn vuoksi. Taajuusmuuttajien haittapuolena ovat niiden tuottamat yliaallot sähkö-verkkoon. Yliaalloilla on paljon haitallisia vaikutuksia sähköverkkoon ja sen kom-ponentteihin. Tässä työssä tutkitaan yliaaltojen vaikutusta muuntajiin kuormitettavuu-den kannalta. Työssä tullaan perehtymään siihen miten vähitellen lisääntyvät taajuus-muuttajakuormat tulisi ottaa huomioon Neste Oilin Porvoossa sijaitsevassa tuotantolai-toksessa tulevaisuudessa uuden laitteiston kannalta, sekä miten olemassa olevan kalus-ton kuormitettavuus määritetään.
Yliaallot ovat sähköverkon 50 Hz perusaallon monikertoja eli korkeataajuisempia. Muuntajan kuormitushäviöt perustuvat pyörrevirtoihin, mitkä ovat taajuusriippuvaisia. Muuntajan altistuessa korkeampitaajuiselle virralle syntyy muuntajan käämeissä ja muissa rakenteissa lisähäviöitä lämpöhäviöiden muodossa. Lisähäviöiden vuoksi muun-tajan kuormitettavuus laskee.
Kuormien tuottamat yliaallot on suunnitteluvaiheessa selvitettävä tietokonesimuloinnin avulla, esim. ABB:n DriveSize ohjelmalla. Eri kuormien tuottamat yliaallot summautu-vat geometrisesti. Olemassa olevissa asennuksissa virta- ja jänniteyliaallot voidaan sel-vittää tekemällä mittauksia. Eri standardointiliitot ovat julkaisseet käytännön menetel-miä mittauksien ja muuntajien kuormitettavuuden päättämisen vuoksi.
Jos uusien asennuksien myötä yliaaltotasot nousevat liian suuriksi on toimenpiteitä teh-tävä, toimenpiteet voi olla muuntajan vaihto, eri taajuusmuuttajien käyttö tai yliaal-tosuodattimien asennus. Epälineaaristen kuormien lisääminen laitokseen suurentaa yli-aaltoja, sen takia on aina tehtävä yliaaltoselvitys jotta uusi asennus ei johda komplikaa-tioihin. Frekvensomriktare används idag i stor utsträckning i industrin för varvtalsreglering av motorer. Frekvensomriktarstyrningen har många fördelar. Nackdelar är ändå att de pro-ducerar övertoner i elnätet. Övertonerna har många oönskade effekter på elnätets kompo-nenter. I det här arbetet undersöks hur övertonerna inverkar på transformatorernas belast-ningskapacitet. I arbetet kommer det att tas ställning till hur man skall handskas med möj-liga övertonsproblem, då man på Neste Oils produktionsanläggning i Borgå i framtiden utökar frekvensomriktardrifterna. Arbetet kommer också att gå in på hur man fastställer belastningskapaciteten på de befintliga installationerna.
Övertonerna är multiplar av grundtonen, vilken i Finlands elnät är 50 Hz. Transformato-rernas belastningsförluster baserar sig på virvelströmmar, vilka är frekvensberoende. Övertonerna gör att transformatorn utsätts för högre frekvenser, vilket höjer förlusterna. Förlusterna omvandlas till värme, vilket gör att transformatorns kapacitet måste sänkas. Då nya installationer med omriktare planeras måste man med datorsimulation utreda hur-dana övertoner kan väntas uppstå. Det kan t.ex. göras med ABB:s DriveSize. Övertoner-na från olika omriktare summeras geometriskt med varandra. För befintliga installationer kan övertonsströmmar och -spänningar bestämmas genom mätningar. Standardiserings-organisationer har gett ut olika praxis för övertonsmätningar och bestämmande av trans-formatorers belastningskapacitet.
Om övertonsnivåerna vid nya installationer blir för höga måste de åtgärdas. Åtgärder kan vara att byta ut transformatorn, installera övertonsfilter eller använda sig av omriktare som förorsakar mindre övertoner. Då nya olinjära laster monteras till en anläggning kommer övertonerna att öka. För att undvika övertonsrelaterade problem måste en utred-ning angående de nya installationernas medverkan till övertonsdistorsionen göras. Variable-speed drives are commonly used in facilities because of the many benefits. The drawback with the use of VSD:s is that they inject harmonics to the supplying network. Harmonics affect power network and its components in a number of ways. This thesis will study how harmonics affect on the transformers loading capability. The thesis will deal with how the increasing VSD loads at Neste Oils facility in Porvoo will have to be taken into consideration when new installations are planned. Determining the loading capability of existing installations will also be dealt with.
Harmonics are multiples of the fundamental frequency, which in Finland is 50 Hz. The transformers load losses are based on the frequency dependant eddy currents. Because of harmonics the transformer will exposed to higher frequencies that lead to greater losses. The losses convert to heat hence must the transformers loading be de-rated. When plan-ning new VSD installations, computer simulation must be involved to estimate the har-monic injection of the installation. This can be done with ABB:s DriveSize software. The harmonics from different non-linear loads add up geometrically. For existing instal-lations the voltage and current harmonics levels can be measured. Standards organiza-tions publish practices for harmonics measurement and determine transformer loading capability.
If harmonic levels in installations exceed recommended limits correcting actions are needed. Actions can involve exchange of transformer, installation on harmonics filter or change to use of VSD with low harmonic injection. Installation of new non-linear loads will increase the harmonic levels. To prevent harmonics related problems when new non-linear loads are installed, a study of how the new component will affect the overall harmonic levels must be done.
Yliaallot ovat sähköverkon 50 Hz perusaallon monikertoja eli korkeataajuisempia. Muuntajan kuormitushäviöt perustuvat pyörrevirtoihin, mitkä ovat taajuusriippuvaisia. Muuntajan altistuessa korkeampitaajuiselle virralle syntyy muuntajan käämeissä ja muissa rakenteissa lisähäviöitä lämpöhäviöiden muodossa. Lisähäviöiden vuoksi muun-tajan kuormitettavuus laskee.
Kuormien tuottamat yliaallot on suunnitteluvaiheessa selvitettävä tietokonesimuloinnin avulla, esim. ABB:n DriveSize ohjelmalla. Eri kuormien tuottamat yliaallot summautu-vat geometrisesti. Olemassa olevissa asennuksissa virta- ja jänniteyliaallot voidaan sel-vittää tekemällä mittauksia. Eri standardointiliitot ovat julkaisseet käytännön menetel-miä mittauksien ja muuntajien kuormitettavuuden päättämisen vuoksi.
Jos uusien asennuksien myötä yliaaltotasot nousevat liian suuriksi on toimenpiteitä teh-tävä, toimenpiteet voi olla muuntajan vaihto, eri taajuusmuuttajien käyttö tai yliaal-tosuodattimien asennus. Epälineaaristen kuormien lisääminen laitokseen suurentaa yli-aaltoja, sen takia on aina tehtävä yliaaltoselvitys jotta uusi asennus ei johda komplikaa-tioihin.
Övertonerna är multiplar av grundtonen, vilken i Finlands elnät är 50 Hz. Transformato-rernas belastningsförluster baserar sig på virvelströmmar, vilka är frekvensberoende. Övertonerna gör att transformatorn utsätts för högre frekvenser, vilket höjer förlusterna. Förlusterna omvandlas till värme, vilket gör att transformatorns kapacitet måste sänkas. Då nya installationer med omriktare planeras måste man med datorsimulation utreda hur-dana övertoner kan väntas uppstå. Det kan t.ex. göras med ABB:s DriveSize. Övertoner-na från olika omriktare summeras geometriskt med varandra. För befintliga installationer kan övertonsströmmar och -spänningar bestämmas genom mätningar. Standardiserings-organisationer har gett ut olika praxis för övertonsmätningar och bestämmande av trans-formatorers belastningskapacitet.
Om övertonsnivåerna vid nya installationer blir för höga måste de åtgärdas. Åtgärder kan vara att byta ut transformatorn, installera övertonsfilter eller använda sig av omriktare som förorsakar mindre övertoner. Då nya olinjära laster monteras till en anläggning kommer övertonerna att öka. För att undvika övertonsrelaterade problem måste en utred-ning angående de nya installationernas medverkan till övertonsdistorsionen göras.
Harmonics are multiples of the fundamental frequency, which in Finland is 50 Hz. The transformers load losses are based on the frequency dependant eddy currents. Because of harmonics the transformer will exposed to higher frequencies that lead to greater losses. The losses convert to heat hence must the transformers loading be de-rated. When plan-ning new VSD installations, computer simulation must be involved to estimate the har-monic injection of the installation. This can be done with ABB:s DriveSize software. The harmonics from different non-linear loads add up geometrically. For existing instal-lations the voltage and current harmonics levels can be measured. Standards organiza-tions publish practices for harmonics measurement and determine transformer loading capability.
If harmonic levels in installations exceed recommended limits correcting actions are needed. Actions can involve exchange of transformer, installation on harmonics filter or change to use of VSD with low harmonic injection. Installation of new non-linear loads will increase the harmonic levels. To prevent harmonics related problems when new non-linear loads are installed, a study of how the new component will affect the overall harmonic levels must be done.