نسل بعدی فناوری مانیتورینگ کیفیت توان – کمک به سلامت تجهیزات صنعتی

فناوری مانیتورینگ کیفیت توان

توجه به فناوری مانیتورینگ کیفیت توان از اهمیت ویژه ای برخوردار است. بر اساس مطالعه اخیر منتشر شده توسط موسسه تحقیقاتی برق (EPRI)، تاسیسات صنعتی بزرگ در ایالات متحده سالانه بیش از ۱۰۰ میلیارد دلار به دلیل مشکلات برق از جمله تغییرات منبع تغذیه و اختلالات ولتاژ از دست می دهند. وقتی چراغ ها در خانه سوسو می زنند، آزاردهنده است. اما هنگامی که برق در یک کارخانه مختل می شود، می تواند باعث خرابی و خرابی زودهنگام تجهیزات گران قیمت شود. رویدادهای ظریف کیفیت توان اغلب از شبکه‌های حفاظتی سنتی بدون شناسایی عبور می‌کنند و به تخریب تجهیزات در طول زمان کمک می‌کنند. علاوه بر این، منبع بسیاری از اختلالات کیفیت برق، بارهای متصل به یک شبکه هستند که باعث انتشار اختلالات در تأسیسات و ساختمان‌های مجاور می‌شوند. به منظور غلبه بر چالش های کیفیت توان، نظارت بر ورودی ها و اختلالات تولید شده توسط بار ضروری است.

اگر ذینفعان از این فناوری نهایت استفاده را ببرند، زیرساخت های گران قیمت آنها از قدرت پاک و عمر طولانی سود خواهند برد.

کیفیت توان به طیف گسترده ای از تغییرات در توان الکتریکی عرضه شده به مشتریان برق اشاره دارد. این می تواند مشکلات سیم کشی، مشکلات اتصال به زمین، گذرای سوئیچینگ، تغییرات بار و نسل های هارمونیک را پوشش دهد. در برخی موارد، کیفیت پایین برق ممکن است شناسایی نشود، اما به تجهیزات گران قیمت آسیب برساند. در اروپا، کیفیت برقی که توسط اپراتور شبکه ارائه می شود، با پارامترهای مرجع تنظیم شده در کدهای شبکه ملی و استانداردهای اروپایی (EN 50160) تعریف می شود. هنگامی که ولتاژ تغذیه مختل می شود، دستگاه جریان های غیر سینوسی می کشد و می تواند مشکلات فنی زیادی مانند گرم شدن بیش از حد، خرابی و پیری زودرس ایجاد کند.

جریان غیر سینوسی همچنین باعث ایجاد تنش حرارتی و عایق در دستگاه های شبکه مانند ترانسفورماتورها و کابل های تغذیه می شود. کیفیت ضعیف برق در نهایت منجر به خسارات مالی ناشی از خرابی تجهیزات، افزایش فعالیت‌های تعمیر و نگهداری و طول عمر کوتاه‌تر می‌شود. در این مقاله اثرات کیفیت ضعیف توان از منظر تجهیزات صنعتی و چگونگی به حداکثر رساندن سلامت دستگاه مورد تجزیه و تحلیل قرار خواهد گرفت.

این موارد لزوم مانیتورینگ کیفیت توان را بیش از پیش آشکار می سازد.

شکل 1
شکل ۱٫ منابع مختلف مشکلات کیفیت توان در الف) ایالات متحده ب) اروپا.

اختلالات کیفیت برق از کجا منشا می گیرند؟

شکل ۱a مطالعه‌ای را خلاصه می‌کند که موسسه تحقیقات برق برای کیفیت برق توزیع در میان ۲۴ شرکت برق در سراسر ایالات متحده انجام داده است. اکثر (۸۵٪) حوادث کیفیت برق از افت یا تورم ولتاژ، هارمونیک‌ها و سیم‌کشی و مشکلات اتصال به زمین سرچشمه می‌گیرد. شکل ۱b نتایج یک بررسی متفاوت کیفیت برق اروپا را نشان می دهد، که تخمین زده است که مشکلات کیفیت برق در کشورهای اتحادیه اروپا ۲۵ زیان مالی بیش از ۱۵۶ میلیارد دلار در سال (۱۵۰ میلیارد یورو) ایجاد می کند. در محیط‌های صنعتی، راه‌اندازی و توقف بارهای سنگین می‌تواند منجر به کاهش و تورم ولتاژ شود که ولتاژ شبکه را خارج از شرایط استاندارد عملکردی حرکت می‌دهد. از آنجایی که بیشتر تجهیزات برای عملکرد در یک شرایط عملیاتی خاص طراحی شده‌اند، افت و تورم ولتاژ طولانی‌مدت منجر به خاموش شدن و قطع فرآیند می‌شود. در فضای کسب و کار امروز، بسیاری از شرکت‌ها در حال بررسی یا نصب منابع انرژی تجدیدپذیر محلی، مانند خورشیدی و بادی هستند. در بسیاری از موارد، منابع تولید پراکنده نیاز به منابع تغذیه حالت سوئیچ در تاسیسات الکتریکی را معرفی می کنند. با افزایش پذیرش الکترونیک قدرت و منابع تغذیه سوئیچینگ، هارمونیک ها به منبع رایج مشکلات کیفیت توان در تجهیزات صنعتی تبدیل خواهند شد. این نوع منابع تغذیه می توانند هارمونیک ها را روی خطوط برق تزریق کنند و کیفیت برق را کاهش دهند به طوری که همه چیزهایی که به شبکه تغذیه متصل هستند از جمله ترانسفورماتورها و کابل ها تحت تأثیر قرار می گیرند. مدیران تاسیسات اغلب می‌توانند اثرات جریان‌های هارمونیک بزرگ را هنگام بارگذاری بیش از حد اجزای شبکه مشاهده کنند. در برخی موارد، افزایش کل تلفات ۰٫۱٪ تا ۰٫۵٪ در اجزای شبکه می تواند باعث خاموش شدن دستگاه های حفاظتی شود.

شکل 2
شکل ۲٫ تجسم ولتاژ و جریان شبکه تحت تأثیرات اعوجاج مختلف.

استانداردهای کیفیت برق و مانیتورینگ کیفیت توان

برای مقابله و مدیریت کیفیت توان، باید یک روش نظارت و گزارش قابل اعتماد پیدا کرد. برخی از استانداردهای کلیدی ایجاد شده توسط صنعت عبارتند از IEC 61000-4-30 کلاس A و کلاس S، اندازه گیری هارمونیک IEC61000-4-7 و IEC61000-4-15 برای فلیکر. اکثر شرکت های برق این استانداردهای کیفیت برق را برای توسعه و اجرای مقررات اتخاذ کرده اند. در مواردی خاص، اگر استانداردهای کیفیت برق با مقررات مطابقت نداشته باشد، شرکت‌های برق ممکن است مشتری را جریمه کنند. استانداردهای صنعتی نه تنها درک مشترکی از کیفیت توان در برنامه های کاربردی دنیای واقعی ایجاد می کنند، بلکه به کاربران اطمینان می دهند که داده های دقیقی برای حل مشکلات و مسائل مربوط به رویدادها خواهند داشت. در شبکه های الکتریکی، کاهش ولتاژ، متورم شدن، سوسو زدن، تغییر در رتبه های اسمی، و اعوجاج ناشی از هارمونیک – همه حاوی اطلاعات کلیدی در مورد سلامت الکتریکی شبکه هستند. دقت اندازه گیری کلید ارائه نتایج قابل اعتماد و قابل تکرار است.

شبیه سازی پارامترهای کیفیت توان

کیفیت توان تعاریف، شاخص ها، استانداردها و ضرورت ها

اهمیت کیفیت توان الکتریکی (کیفیت برق) در چیست؟

کیفیت توان (کیفیت برق) به زبان ساده

اعمال نظارت بر کیفیت برق برای بهبود سلامت شبکه و ماشین

دستگاه‌های کیفیت برق امروزی اطلاعاتی را ارائه می‌کنند که عملکرد کلی سیستم را محک می‌زند، به نگهداری پیشگیرانه کمک می‌کند، روندها و شرایط را نظارت می‌کند، عملکرد شبکه و حساسیت به تجهیزات پردازش را ارزیابی می‌کند و نرخ انرژی را بهبود می‌بخشد. شبکه ای از مانیتورهای کیفیت توان را می توان بر روی سیستم های تامین نصب کرد و داده های اندازه گیری خام آنها را می توان برای همبستگی و شناسایی منابع اختلالات جمع آوری کرد. مانیتورهای کیفیت قدرت همچنین می توانند بخشی از طراحی تجهیزات تعبیه شده برای یکپارچه سازی و کنترل دقیق تر باشند. برای درک سلامت کلی می‌توان یک امضای الکتریکی منحصربه‌فرد یک ماشین را ثبت کرد. نتیجه گیری از تجزیه و تحلیل داده ها و تشخیص ها می تواند ورودی قابل اعتمادی را برای طراحی الگوریتم ها و محصولات حفاظتی نسل بعدی برای بهبود کیفیت توان ارائه دهد.

اگر تجهیزات قبلاً در محیط کارخانه مستقر شده باشند، می توان از مشخصات کیفیت توان برای تعیین بهترین تکنیک های کاهش استفاده کرد. به عنوان مثال، پروفایل کیفیت توان یک مرکز صنعتی در هند اعوجاج قابل توجهی در شکل موج ولتاژ و جریان را نشان داد. پس از تجزیه و تحلیل گسترده، یک سیستم اصلاح ضریب توان هیبریدی در کارخانه نصب شد. با سیستم تصحیح جدید، ضریب توان از ۰٫۵- به ۰٫۹+ تغییر کرد و THD 50 درصد بهبود یافت.

یک آنالایزر کیفیت برق مدرن

در گذشته، طراحی یک تحلیلگر کیفیت توان با دقت بالا به مهارت فنی قابل توجهی نیاز داشت و اغلب با استفاده از اجزای گسسته و توسعه الگوریتم‌های اندازه‌گیری کیفیت توان سفارشی همراه بود. کلاس جدیدی از قسمت های جلویی آنالوگ با کیفیت توان (AFE) ADC های با کارایی بالا را با بهره کلی دریفت کم و یک هسته DSP ادغام می کند. این AFE یکپارچه پیچیدگی و هزینه مرتبط با رویکرد طراحی گسسته و نوشتن الگوریتم های سفارشی را کاهش می دهد.

AFE یکپارچه پارامترهای کیفیت توان مانند افت، تورم، rms، خطای توالی فاز و مقادیر ضریب توان را محاسبه و ارائه می‌کند. همچنین محتوای هارمونیک فرکانس خط را از سیگنال ورودی به دست می آورد. دستگاه‌های آنالوگ بر یک مانیتور جلویی با کیفیت قدرت در کلاس جهانی به نام ADE9000 تسلط یافته است. بیشترین پیچیدگی در محاسبات را جذب می کند و زمان و تلاش را برای پیاده سازی یک سیستم نظارت بر کیفیت توان ساده (مانیتورینگ کیفیت توان) می کند.

شکل 3
شکل ۳٫ اطلاعات و گزارش از مانیتورهای کیفیت توان.
شکل 4
شکل ۴٫ بلوک دیاگرام عملکردی ADE9000. آی سی مانیتورینگ کیفیت انرژی و توان چند فازی بسیار یکپارچه.
شکل 5
شکل ۵٫ زنجیره سیگنال سیستم نظارت بر کیفیت توان معمولی.

فرصت‌هایی برای تجزیه و تحلیل داده‌های بزرگ که هوش انرژی بهتری را هدایت می‌کنند

همانطور که دستگاه‌های منفرد در تنظیمات صنعتی متصل‌تر می‌شوند و استقرار اینترنت اشیا تسریع می‌شود، اطلاعات کیفیت انرژی از تجهیزات توزیع‌شده جمع‌آوری و به روش‌های جدید استفاده می‌شود. برای مثال، ذینفعان می توانند روندهای تاریخی را تجزیه و تحلیل کنند و امکان تشخیص زودهنگام یک مشکل در حال ظهور را فراهم کنند. در یک شبکه، داده های بلادرنگ از چندین گره می توانند برای شناسایی و جداسازی یک اختلال استفاده شوند. تجزیه و تحلیل داده ها برای تشخیص ماشین، تعمیر و نگهداری پیشگیرانه، و جداسازی بارهای مشکل، راه های جدیدی برای کاهش وقفه های فرآیند، افزایش طول عمر تجهیزات و بهبود زمان کار هستند.

خلاصه پایش کیفیت توان

انتظار می رود کل تقاضای انرژی در سراسر جهان سالانه تقریباً ۵ درصد رشد کند. بزرگی و پیچیدگی تجهیزات متصل به شبکه افزایش خواهد یافت و اختلالات کیفیت توان به طور متناسب افزایش می یابد. کسب و کارهای مدرن به طور فزاینده ای به انرژی الکتریکی که تمیز، قابل اعتماد و همیشه روشن است، رشد خواهند کرد. با استفاده از نسل بعدی فناوری نظارت بر کیفیت برق، صاحبان تجهیزات صنعتی می توانند انتظار داشته باشند که موارد کمتری از خرابی یا فرسودگی زودرس دستگاه را ببینند و از قدرت پاک بهره مند شوند.

منبع:

The Next Generation of Power Quality Monitoring Technology—Helping Industrial Equipment Stay Healthy