Jonas Kehr, Salgchef ABB Danmark Spændingskvalitet ... installatør... · Load Output Utility Voltage ... UPS-anlæg Crest faktor Almindelige UPS anlæg har ... 208 V £ U £ 480V

SpændingskvalitetUdfordringer og løsninger

Jonas Kehr, Salgchef ABB Danmark

Spændingskvalitetløsninger til alle udfordringer fra ABB

Active Filter

PQF…30 – 1800A- Harmonics- Nuetral current

Agenda

§ Spændings forstyrrelser§ Harmoniske forstyrrelser§ Standarder og grænserværdier§ Nulstrømme§ Produkter§ Kunde cases§ Energi besparelser

© ABB GroupDecember 3, 2014 | Slide

PCS100 AVC, Active Voltage ConditionerPower supply

The power that comes into your facility is atthe mercy of

• The weather• Road accidents• Animals• Vegetation• Every other business on the line

before you


PCS100 AVC, Active Voltage ConditionerPrevent costly shutdowns

• Network voltage sags and surges along withshort outages are common and often causeelectronics to self protect by switching off

• When this occurs in a critical controloperation it can cause a complete shutdownof a facility

• According to EPRI (Electrical PowerResearch Institute), sags account for >92 %of PQ events

• Facilities do not get advance warnings ofimpending sags


PCS100 AVC, Active Voltage ConditionerVoltage Sag at Novo Nordisk Feb-2014


• The PCS100 AVC is a unique product thatregulates the voltage and protects thecustomer’s facility against power qualityevents like sags and swells.

• The PCS100 AVC takes the raw powerfrom the electric utility and outputsregulated premium power for the factory orcommercial premise

• PCS100 AVC does not have batteries,capacitors, or other storage elements

• The advantages of not having energystorage that the AVC is small, energyefficient, reliable and has very low ongoingcosts

PCS100 AVC, Active Voltage ConditionerIntroduction


PCS100 AVC, Active Voltage ConditionerSingle line diagram

DistributionTransformer

Input CircuitBreaker

Aux CircuitBreaker

AutoTransformer(220 V Supply)

Rectifier

Inverter andBypass

InjectionTransformer

PCS100 AVC3 phase

Utility Supply3 phase

Load Output

Utility Voltage PCS100 AVC Correction Voltage Output Voltage

PCS100 AVC, Active Voltage ConditionerGeneric performance

Voltage Fluctuation Sags Swells Voltage Unbalance Phase Angle Errors

• Continuous ONLINE regulation between 90 percent and 110 percent of supply voltage• Full correction

• Three-phase sags down to 60 percent remaining voltage• Single-phase sags down to 40 percent remaining voltage

• Partial correction• Three-phase sags down to 30 percent remaining voltage• Single-phase sags down to 0 percent remaining voltage

• Swell correction• Voltage unbalance correction• Voltage vector phase angle correction• Flicker mitigation


PCS100 AVC, Active Voltage ConditionerNo protection against PQ events

UtilitySag


PCS100 AVC, Active Voltage ConditionerSag (Dip) protection

UtilitySag

Rectifier

Inverter andBypass



PCS100 AVC, Active Voltage ConditionerSwell (over voltage) protection

UtilitySwell

Rectifier

Inverter andBypass



PCS100 AVC, Active Voltage Conditioner50 percent retained voltage single phase sag

Phase andMagnitudeCorrection

Transmission Line Sag AVC Input AVC Output


PCS100 AVC, Active Voltage Conditioner70 percent retained voltage three phase sag

MagnitudeCorrection



PCS100 AVC, Active Voltage Conditioner0 percent retained voltage single phase sag

PartialPhase andMagnitudeCorrection


Agenda


Harmoniske forstyrrelserHvad er spændingskvalitet

• Lille reaktivt effekt behovCos Phi > 0.9 (50Hz, basseret på H1)PF= Cos Phi (Basseret på Cos Phi + H2-H50)

• THDV < 5%Total harmonic distorsion voltagesTotal Harmonisk Spændings Forstyrrelse

• THDI < 10%Total harmonic distorsion currentTotal Harmonisk Strøm Forstyrrelse

• Symetrisk belastet fasestrømIngen 50 Hz nul-strøm

Kan disse parametre overholdes erspændingskvaliteten i orden !!!

THDI = 25,1% er ikkegod spændingskvalitet

THDV = 14% er ikke godspændingskvalitet

Cos Phi = 0,98

PF = 0,94Eksempel:

Varmepumper med400V AC- drev


THDV = 13,8% er ikkegod spændingskvalitet

THDI = 50% er ikke godspændingskvalitet

5. harm. = 404 A

Cos Phi = 0,27 er ikkegod spændingskvalitetEksempel:

Kran med 1200 kVA690V DC-drev


© ABB GroupDecember 3, 2014 | Slide 20

§ Power elektronik§ Konvertere§ Frekvensomformere§ Svejseværker§ LED

§ Computere§ Printere§ Fax maskiner§ Sparepærer§ UPS anlæg

Harmoniske forstyrrelserHvor kommer harmoniske forstyrrelser fra?

Spænding og strømfra en stationær PC.

Frekvens og amplitudespektrum.Bemærk DC indhold samtde mange ulige og lige frekvenser.Samt faldende amplitude medstigende frekvens.

Harmoniske forstyrrelserEksempel – Stationær PC

Spænding og strømfra en stor laserprinter.Strøm en fin trappekurve.

Frekvens og amplitudespektrum.Bemærk DC indhold samtde mange store ulige ogsmå lige frekvenser.Samt den typiske faldendeamplitude med stigendefrekvens.

Harmoniske forstyrrelserEksempel – Stor laserprinter

Spænding og strømfra en fladskærms TV.

Frekvens og amplitudespektrum.Bemærk DC indhold samtde mange ulige og lige frekvenser.Samt faldende amplitude medstigende frekvens.

Harmoniske forstyrrelserEksempel – Fladskærms TV

Spænding og strøm fra enmikrobølgeovn.En stor faseforskydning, som ser ud tilat være kapacitiv, men strømtangenskulle være vendt til induktiv.

Frekvens og amplitudespektrum.Bemærk det meget lille DC indholdsamt de få ulige harmoniske frekvenser.Samt faldende amplitude medstigende frekvens.

Harmoniske forstyrrelserEksempel – Microbølgeovn

Strøm, spænding, harmoniske,THDV og THDI for 7 sparepære.

Harmoniske forstyrrelserEksempel – Sparepære

Strøm, spænding i fasen og nullen,samt harmoniske i nullen, optageten alm. Aften i et alm. hus.

DC indhold kan krævefejlstrømsafbryder type B

Harmoniske forstyrrelserEksempel – Almindelig husstand

Harmoniske forstyrrelserHvordan ser strømmen ud fra et 6puls frekvensomformer

?

Harmoniske forstyrrelserSådan……. i principet

Harmoniske forstyrrelserGrundtone (50Hz)

Harmoniske forstyrrelserGrundtone (50Hz) + 5. harmonisk

Harmoniske forstyrrelserH1 + H5 + H7

Harmoniske forstyrrelserH1 ® H13

Harmoniske forstyrrelserH1 ® H25

L1 L2 L3

Harmoniske forstyrrelser

• 5, 11, 17, 23 harmoniske

Modmoment

0% 33% 39% 44%

Peak 100% 133% 168% 204%

RMS 100% 105% 108% 110%

è Stigende peak strøm på sinuskurvenè Stigende RMS strøm på sinuskurven

Total harmonisk forstyrrelse

Harmoniske forstyrrelserPåvirkning ved stigende harmoniske strømme

UPS-anlægCrest faktor

Almindelige UPS anlæg haren Crest faktor på 3:1

• Forsages af harmoniskestrømme

• Kan have konsekvenserfor Invertere

IpeakIRMSImid

Harmoniske forstyrrelserResonans

• Induktive modstande er stigende med frekvensen• Kapacitive modstande falder med frekvensen• Resonans frekvensen kan beregnes med følgende formel:

Harmoniske forstyrrelserResonans

En løsning på resonans problemmeter aktive filtre, samt de-tunedkondensatorer med reaktorer

U

• Kabler, transformere og lasterindeholder induktive reaktanser

• Laster med elektronik indeholdekapacitive reaktanser. Fx. Datacentreer hovedsagelige kapacitive med enleading PF på 0,9- 0,8.

Harmoniske forstyrrelserProblemer genereret af Harmoniske forstyrrelser

Harmonisk strøm kan medfører overophedning og i nogletilfælde brænde komponenter og kabler af.

Harmoniske forstyrrelserProblemer genereret af Harmoniske forstyrrelser

• Tab i viklinger & jern

• Skin effekt: Harmoniske strømme villøbe i det yderste af kobberlederen,da denne er højfrekvent.

• Drift forstyrrelser

• Afbrændt isolering

Agenda


Standarder og grænseværdierRekommandation 16 (EN 50160)

Standarder og grænseværdierIEC 61000-2-4 EU grænser for installationen

Standarder og grænseværdierIEC 61000-3-2 harmoniske grænser LED

Harmonisk[n]

Maximal tilladt harmoniskstrøm per watt [mA/W]

Maximal tilladt harmoniskstrøm [A]

3 3.4 2.30

5 1.9 1.14

7 1.0 0.77

9 0.5 0.40

11 0.35 0.33

13 ≤ n ≤ 39

§ Armaturer med P ≤ 25W skal overholde mindst en afgrænseværdierne:

§ 3 harmonisk strøm ≤ 86% af den fundamentale og 5harmonisk strøm ≤ 61% af den fundamentale

§ Må ikke overstige følgende værdier:

Standarder og grænseværdier

DEFU R16 IEC61000-2-4 G5/4 IEEE519 DNV ABS

Danmark Europa Storbritanien USA Offshore Offshore

Max THDV

Max 3. harm

Max 5. harm

8% 8% 5% 5%5%5%

4%

4%

3%

3%

3%

3%

3%

3%

5%

6%

5%

6%

n ABB anbefaler at designe til THDV max 5%n IEC/EN grænseværdier sænkes til THDV max 5% i næste revision

Oversigt over globale krav

Standarder og grænseværdier

n ABB anbefaler at designe til THDV max 5%n Men, THDV = 5% er ikke altid godt nok !!!

Papirfabrik udentekniske problemer

THDV = 5%

Papirfabrik medtekniske problemer

THDV = 5%

Agenda


L1 L2 L3

N

NulstrømmeTredje harmoniske strømme

• 3. harmonisk strøm(hver fase har samme vinkel derfor opsummeres strømmen I nullen)

L1= 100 A

L2= 80 A

L3= 60 A

N= 40 A

L2” = 80A

L3” = 60A

Vektor diagram af skævbelastning med nul-strøm til følge

NulstrømmeSkæv belastning

L1= 100 A

L2= 80 A

L3= 60 A

Vektor diagram af skævbelastning, hvorfilterstrømme ogresulterende strømme erindsat !!!

Filterstrøm

L1= 20 A

Filterstrøm

L3= 20 A

Resulterende

L3= 80 A

Resulterende

L1= 80 A


L2= 80 A

Vektor diagram afbelastning, hvor det AktiveFilter har rette op på fasestrømmene og hvor deresulterende strømme erindsat !!!

Den resulterende nul-strømer lig 0,0 A

L3= 80 A

L1= 80 A

L2” = 80 A

L3” = 80 A


Agenda


§ 50/60 Hz

§ Op til 4 parallelkoblede anlæg

§ Individuel regulering af 2nd-50th harmoniske strøm

§ Muligheden for at vælge og fjerne individuelle harmoniskeovertoner

§ Udligner skæv belastning på faseledere i både 3- og 4-ledersystemer (50 Hz nulstrøm fjernes)

§ Aktivt fjerne nulstrøm

ProdukterABB aktive filter type: PQFS

208 V £ U £ 240 V and 380 V £ U £ 415 V

Line current [A]304560708090

100NY 2014 120Nulstrømme = 3 x nominel strøm max 270 A

ProdukterABB aktive filter type: PQFM

§ 50/60 Hz


§ Individuel regulering af 2nd-50th harmoniskestrøm

§ Muligheden for at vælge og fjerne individuelleharmoniske overtoner

§ Udligner skæv belastning på faseledere i 3-leder systemer (50 Hz nulstrøm fjernes)

208 V £ U £ 480V 480V < U £ 600V

I [A] Small 70

I [A] Medium 100 -130 100*

I [A] Large 150

Nr harms 20 20

* For system voltages > 600V, the current rating may be deratedautomatically depending on the operating temperature

§ 50/60 Hz


§ Individuel regulering af 2nd-50th harmoniskestrøm

§ Muligheden for at vælge og fjerne individuelleharmoniske overtoner

§ Udligner skæv belastning på faseledere i 3-leder systemer (50 Hz nulstrøm fjernes)

ProdukterABB aktive filter type: PQFI

208 V £ U £ 480V 480V < U £ 690V

I [A] Large 450 320*

I [A] Small 300 180

Nr harms 20 20

* For system voltages > 600V, the current rating may be deratedautomatically depending on the operating temperature

ProdukterDen bedste løsning til harmoniske problemer§ Aktive filtre

§ Filtrerings princip: For at fjerne de harmoniske strømme generererfilteret en harmonisk strøm i modfase, svarende til den målte.

-1 , 3

1 , 3

0 3 6 0

BelastningsKurve

-2 0

0

2 0

4 0

1 5 7 1 1 1 3 1 7 1 9

Aktiv filterKurve

-2 0

0

2 0

4 0

1 5 7 1 1 1 3 1 7 1 9

-1 ,3

1 ,3

0 3 6 0

Rensinus kurve

-2 0

0

2 0

4 0

1 5 7 1 1 1 3 1 7 1 9

Sinu

skur

ve

+=

Har

mon

isk

ProdukterTekniske fordele ved anvendelse af Aktiv Filtern Selektiv eliminering af 2. – 50. harmoniske strømme20 forskellige harmoniske strømme fjernes på samme tid

n RMS/PEAK strømmen reduceres i faseledereneInstallationens kapacitet øges, riciko for utilsigtede udkoblinger af brydere/sikringer under motorstart reduceres og ”skin-effekt” i ledere afhjælpes

n Nul-strøm fjernes totaltKabler og koblingsmatriel med reduceret nul pol. aflastes. Riciko for overbelastning af nulskillestyker eller lign. fjernes

n Potentiale forskelle imellem Nul- og PE leder elimineresFejl i elektronik og IT udstyr, som følge af potentiale forskelle, kan forårsage uønskede driftstop

n Cos Phi reguleres trinløst uden indkoblingsstrømmeSpændingsdyk fra kondensator indkobling undlades, da der kobles via IGBT-teknologi

n IEC/EN harmoniske grænseværdier overholdesMulighed for at indstille grænseværdier for alle harmoniske strømme samt måling af disse via ”closed loop” styresystem

n Udbalancering af skæv belastning i L1-L2-L350 Hz nulstrøm fjernes og fasespændninger harmoniseres

§ Levere hurtig og dynamisk reactiv effekt§ Optimering af Power Factor§ Udligner skæv belastning på faseledere i

3- leder systemer (50 Hz nulstrøm fjernes)§ Fjerne harmoniske strømme 5-7 harm.§ Spændingsstabilisere

ProdukterPCS100 RPC

Aktiv effekt

Reaktiv effekt

Transformer

Aktiv Filter

DOL-mtorer

Hovedtavle 230 – 690 V

Strøm måling”closed loop”

ProdukterMontering af aktive filtre

AC/CDFrekvensomformer

Harmoniskstrøm og Reaktiv

effekt

RPC


PCS100 AVC, Active Voltage ConditionerStandard offering

Nominal ratings range

30 percent correction200 to 2400 kVA @ 400 V 50 Hz

40 percent correction150 to 1800 kVA @ 400 V 50 Hz

Power systemThree phase, center ground refSupply over voltage cat 3Fault capacity >40 kA (model specific)

Correction responseInitial <250 micro secondsComplete < 0.5 cycle

Regulation accuracy+/-1 percent typical to +/-2 percent maximum

Efficiency > 98 percent (typical 99 percent)

Agenda



Kunde casesLøsninger til marine branchen

• DFDS sparer 20% diesel med PCS100 teknologi

• Royal Greenland Fiskebåd installerer 300A Aktiv Filter og sikrer 100% drifttid

• Wärtsila fjerner harmoniske strømme på 6 skibe og opfylder DNV krav tilharmoniske.

• Scandlines installerer Fasekompensering på 2 skibe og tjener pengene hjem på< 1 år

• Mærsk sikrer stabil 50/60Hz konvertering med PCS100 SFC løsning

• Den danske Flåde i korsør har investeret mere end 10 MDKK på PCS100teknologi der leverer landstrøm til deres skibe


Kunde casesDansk Medie Hus (60A Aktiv Filter)

Nulstrøm = 140A

Ubalanceret last = 100A

Høj 3th harmonisk strøm

Elektrisk udstyr I serverum forRadio/TV produktion.

Store Nulstrømme medfører atelektronisk udstyr bryder sammen

Uden Aktivt Filter Med Aktivt Filter

Neutral current < 30A

Ubalanceret last = < 40A

Lav 3th harmonisk strøm


Kunde casesVejen Varmeværk (150A Aktiv Filter)

THDI = 25,1%6puls Drev

THDV = 14%Højspændings-forstyrrelse

Pumper styret med 6puls AC-drevanvendt til fjernvarme.

Den høje spændingsforstyrrelsemedfører produktions stop.


Kunde casesÅlborg Portland (800kVAr RPC)

THDI = 47%Høj THDIgrundet 6pulsDC-Drev

THDV = 14%

Høj spændings-forstyrrelse

6puls DC-drev til cement produktion.

Den høje spændingsforstyrrelsemedfører produktions stop.


Kunde casesTelecom ”Gen-set” (100A Aktiv Filter)

THDI = 25%

Elektroniskudstyr 3F/1F

THDV = <3%PerfektSinuskurve

Elektronisk udstyr anvendt til RemoteTelecom signal. Generator forsynet.

Den højespændingsforstyrrelsemedfører nedbrud af det elektroniskeudstyr, samt generator nedbrud.

THDI = <2%

PerfektSinuskurve

THDV = 13%

Høj risiko fornedbrud

Uden Aktivt Filter Med Aktivt Filter

Kunde casesProduktionsforstyrrelser (100A Aktiv Filter)

§ De harmoniske strømme og spændinger er målt, for at se om indholdet af disse, kan udgøre en dårlig spændingskvalitet. Det kankonkluderes at spændingsforstyrrelsen (THDV) ikke udgøre nogen videre risiko for dårlig spændingskvalitet. Dette skyldes atforsyningsnettet er krafttig, grundet to stk. 1000 KVA transformere.

§ Når man derimod kigger på strømforvrængningen (THDI) kan vi dog konkludere, at der i det normale driftsmønster er engennemsnitlig harmonisk strøm på 20% af 500A hvilket svare til 100A THDI.

Kunde casesMed og uden aktivt filter

Spændings måling

650 kW AC-drev

§ Spændingens sinuskurve er forstyrret§ 8,2 % THDV

650 kW AC-drev med Aktiv Filter

• Spændingens sinuskurve er normal• 2,2 % THDV• Spændingsfald er reduceret


Strøm måling

650 kW AC-drev

• Strømmens sinuskurve er markant forstyrret

• 30 % THDI


• Strømmens sinuskurve er normal• 4 % THDI• RMS strømmen er reduceret med 5%


650 kW AC-drev


Kunde casesPCS100 AVC - Singapore

Kunde casesPCS100 AVC - Singapore

Agenda



Aktiv Filter ”PQF…”

• I alle tilfælde vil et Aktiv Filter der fjernerharmoniske strømme bidrage til energibesparelser, da der fjernes et væsentligt tab iinstallationen.

• Der kan typisk opnås 0-3% energibesparelser hos industri kunder med THDI >20% og THDV >5%

• I mange tilfælde vil kunderne også oplevefærre drift forstyrrelser med Aktiv Filterinstalleret, som kan bidrage til korttilbagebetalingstid.

Spændingskavlitet og energi besparelserDer er penge at spare…


Reactive Power Conditioner”PCS100 RPC”

• I alle tilfælde vil PCS100 RPC kompensererreaktiv effekt og fjerner 5. & 7. harmoniskebidrage til energi besparelser, da der fjerneset væsentligt tab i installationen.

• Der kan typisk opnås 0-3% energi besparelserhos industri kunder med CosFI < 0,8, THDI >20% og THDV >5%



Active Voltage Conditioner”PCS100 AVC”

• I alle tilfælde vil kunderne opleve markantfærre drift forstyrrelser med PCS100 AVCinstalleret, og typisk er tilbagebetalingstiden< 2år pga. stabil drift i produktionen

• Det er også muligt at opnå energi besparelserved at regulere spændingen til et optimaltniveau. Sænkes spændingen til f.eks 220Vkan der typisk opnås 3-5% energi besparelse(last afhængigt)

• I særlige tilfælde kan der opnåsenergibesparelser helt op til 10-15%



For at opnå energibesparelserhar DSB valgt at installere enABB PCS100 AVC (Aktivspændings stabilisator)

AVC enheden er installeret vedhovedtavlen i den store servicebygning hvor togene serviceres.

Belastningen på den samledeinstallation er et mix af lys, motorog anden last.

PCS100 AVC Placering

PCS100 AVCDSB sparer penge…


PCS100 AVC location

Som det ses på billedet erinstalleringen af AVC-enhedenret simpel.

AVC-enheden forsynes frahovedtavlens fødekabel ogtilkobles hovedskinnerne.



0

50

100

150

200

250

1 7 13 19 25 31 37 43 49 55 61 67 73 79 85 91 97 103

109

115

Voltage

Current

kW

kVAr

Spændingen reduceres fra234V to 207V

Strømmen reduceres med 18%

kW reduceres med 13%

kVAr reduceres med 37%

AVC slukket

Seconds



40,00

45,00

50,00

55,00

60,00

65,00

1 7 13 19 25 31 37 43 49 55 61 67 73 79 85 91 97 103

109

115

kW

kW

Spændingen reduceres fra234V to 207V

kW reduceres med 13%

Seconds


Documents

Jonas Kehr, Salgchef ABB Danmark Spændingskvalitet ... installatør... · Load Output Utility Voltage ... UPS-anlæg Crest faktor Almindelige UPS anlæg har ... 208 V £ U £ 480V