Výkonové napájecí zdroje pro zkušebny

Výkonové napájecí zdroje pro zkušebny je poměrně široký pojem, pod kterým může být zahrnuta celá škála technických zařízení používaných v nejrůznějších typech zkušeben. Tento článek je zaměřen na zdroje používané ve zkušebnách výrobců elektrických strojů a přístrojů, v železničních opravnách a depech a částečně i v oblasti průmyslu.

Výkonové napájecí zdroje pro zkušebny je poměrně široký pojem, pod kterým může být zahrnuta celá škála technických zařízení používaných v nejrůznějších typech zkušeben. Tento článek je zaměřen na zdroje používané ve zkušebnách výrobců elektrických strojů a přístrojů, v železničních opravnách a depech a částečně i v oblasti průmyslu. Věnuje se výhradně zdrojům statickým, tvořených moderními polovodičovými měniči. Jsou zde popsány možnosti použití, jejich vlastnosti, výhody, nevýhody a také několik konkrétních realizací z produkce firmy BUBELA Power Electronics, s. r. o. Pod označením výkonové, zahrnujeme zdroje s výkonem větším než asi 1 kW do řádově jednotek megawattů.

Úvod

Zdroje v oblasti zkušebnictví mají dlouhou historii. Každý vyrobený elektrický motor, či jiný stroj nebo přístroj je nezbytné otestovat formou typové a kusové zkoušky a tím prokázat jeho deklarované vlastnosti. Ve většině případů to znamená mít k dispozici regulovatelný zdroj napětí a proudu s odpovídajícími parametry. Dříve používané rotační zdroje, natáčivé nebo regulační transformátory, jsou provozovány stále méně často a postupně nahrazovány modernějším a efektivnějším řešením v podobě statických zdrojů.

Účel zdrojů by se dal popsat následovně: poskytnout spolehlivé a energeticky efektivní napájení s napěťovými a proudovými parametry vhodnými pro vykonávání předepsaných zkoušek a testů.

Oblasti použití zdrojů

Zkoušky elektrických motorů

Při výrobě elektrických motorů je požadováno provést celou řadu zkoušek podle příslušných norem a interních předpisů výrobců. Jedná se o zkoušky typové, zahrnující kompletní otestování stroje; kontrolní zkoušky kusové, v omezeném rozsahu, prováděné v rámci výstupní kontroly a případně tzv. přejímací zkoušky, pokud jsou vyžadovány odběratelem. Na zkoušky se uplatňují zejména normy řady ČSN EN 60034, případně zahraniční CSA C390, IEEE112, nebo EN 50598. V těchto normách jsou mimo jiné definovány požadavky na napájecí zdroj. Např. v ČSN EN 60034-1 je pro střídavé motory požadován symetrický a sinusový tvar napájecího napětí s činitelem harmonických nepřesahujícím 0,02. Skutečná frekvence se může od stanovené zkušební frekvence lišit v rozmezí ±0,3 %.

Seznam zkoušek elektrických motorů:
– záběh ložisek,
– naprázdno,
– nakrátko,
– zatěžovací zkoušky na dynamometru,
– měření zatěžovacích charakteristik,
– měření oteplovacích charakteristik,
– měření vibrací a hlučnosti,
– test tepelných ochran.

Zkoušky transformátorů a tlumivek

Jedná se o zkoušení elektrických strojů netočivých. V této oblasti se prozatím statické napájecí zdroje používají jen zřídka, jejich význam roste v případě testování při atypických frekvencích, odlišných od standardních 50 Hz.

Zkoušky elektrických přístrojů

Z oblasti zkoušek elektrických přístrojů se výkonové zdroje uplatní hlavně při testech spínacích přístrojů (stykače, jističe apod.). Jde o zkoušky:
– oteplení a měření výkonových ztrát,
– vypínací charakteristiky,
– zkratové zkoušky.

Specifickou oblastí jsou testy proudovodných prvků jako měření oteplení a zkratové zkoušky.

Testovací zdroj je pro výše uvedené testy zpravidla proudového typu, s hodnotami proudu dosahujících desítky až stovky kA.

Železniční opravny a depa

Železniční zařízení napájená trakčním nebo jiným specifickým napětím vyžadují téměř vždy speciální napájení odlišné od běžné napájecí sítě. Výkonové zdroje ve speciálním provedení se zde používají pro napájení a zkoušky trakčních vozidel, vagonů, trakčních a pomocných pohonů. Význam použití takovýchto zdrojů v posledních letech roste především z důvodu rozšiřování vícesystémových železničních vozidel, schopných provozu na tratích s různými napájecími soustavami. Jsou to nejen standardní české systémy se stejnosměrným napětím 3 kV a střídavým 25 kV, ale také střídavé napětí 15 kV s frekvencí 16,7 Hz, či stejnosměrné 1,5 kV. Vagóny pak používají pro svůj provoz další druhy napětí, v plné konfiguraci až sedm různých napěťových systémů.

Tato problematika je značně rozsáhlá a v článku je zmíněna jen jako jedna z velkých oblastí použití výkonových zdrojů ve zkušebnictví.

Ostatní oblasti použití

Zdroje se také nasazují a používají všude tam, kde je potřeba mít k dispozici atypickou napájecí síť nebo napájet a testovat nestandardní zátěže. Např. zdroje s pevným napětím a pevnou frekvencí 60 Hz se uplatňují u výrobců strojů a zařízení určených na některé mimoevropské trhy.

Možnosti zdrojů

Zdroje realizované společností BUBELA Power Electronics, s. r. o., dále jen BPE, nabízejí oproti konkurenčním řešením řadu regulačních algoritmů a režimů řízení, což je předurčuje k provádění i těch nejnáročnějších zkoušek. Hlavní částí každého zdroje je měnič frekvence, prakticky totožný jako standardní měniče používané v elektrických pohonech. Od běžných měničů frekvence pro napájení pohonů je odlišuje speciální řízení, navržené a naprogramované pro konkrétní účel, s přihlédnutím ke konkrétnímu účelu použití zdroje, přičemž základní vlastností je možnost navzájem nezávislého nastavení napětí a frekvence uživatelem. Na výstupu jsou vždy zařazeny filtrační obvody, měřicí obvody, případně transformátor a konfigurační část, zajišťující přepínání napěťových rozsahů, nebo napěťových systémů. Vstupní usměrňovač může být klasický diodový, nebo i aktivní, pro rekuperaci energie ze zkoušeného zařízení zpět do napájecí sítě. 

Obr. 1. Příklad ovládacího panelu zdroje

Ovládání zdrojů je buď ruční, pomocí vestavěného či přenosného ovládacího panelu, (Obr. 1. Příklad ovládacího panelu zdroje), nebo nadřazeným řídicím systémem prostřednictvím protokolu MODBUS TCP nebo RTU.

Charakteristické vlastnosti zdrojů pro zkušebny elektrických motorů
– nastavitelné, regulované napětí v rozsahu od nulové do maximálního hodnoty, v několika rozsazích,
– nastavitelná frekvence,
– regulace napěťové i fázové nesymetrie napětí u třífázového provedení,
– sinusové napětí s nízkým zkreslením, THD <2 %,
– nastavitelná fázové nesymetrie,
– vysoká stabilita a přesnost napětí a frekvence,
– konfigurovatelné, vícebodové rozběhové a doběhové rampy napětí a frekvence,
– proudové omezení, odolnost proti zkratu a přetížení,
– nastavitelná elektronická pojistka pro ochranu zkoušené zátěže,
– vysoká krátkodobá přetížitelnost,
– nastavitelný režim proudového zdroje,
– rekuperační režim pro rychlé zastavování běžícího motoru,
– vysoká energetická účinnost,
– malé nároky na údržbu.

Díky těmto vlastnostem lze provádět zkoušky, které by s jiným typem napájení byly jen těžko proveditelné. Například velmi rychlé automatizované zkoušky nakrátko bez nutnosti mechanického blokování rotoru nebo měření dynamických momentových charakteristik.

Jinou ukázkou využitelnosti specifických vlastností zdrojů je možnost napájet měnič frekvence. V některých případech je totiž požadováno testovat motory při napájení z měniče frekvence a zdroj pak musí poskytnout správné napětí pro tento měnič. To znamená, že se musí vypořádat s negativními vlivy, které s tímto souvisí. Je to především odběr vysokých harmonických proudů, deformace napětí nebo nepřiměřené vzájemné ovlivňování při použití měniče s aktivním usměrňovačem.

I přes všechny tyto příznivé vlastnosti mohou mít statické zdroje ve srovnání s tradičními rotačními zdroji určité nedokonalosti. Jedním z nedostatků, se kterým se občas setkáváme, je vznik rezonancí zdroje s napájeným motorem, nastávající při určitých konfiguracích. K rezonanci dochází tehdy, když se nevhodně potkají hodnoty výstupních filtračních obvodů zdroje s indukčností motoru a jeho konkrétními otáčkami. Napětí deformované vyšší frekvencí vede ke zkresleným výsledkům některých zkoušek motoru. Dopředu se lze těmto nevhodným kombinacím jen těžko vyhnout, protože výběr a rozsah parametrů motorů ve zkušebnách bývá značně široký. U rotačních zdrojů k rezonanci nemůže z principu dojít, neboť neosahují žádné filtrační obvody, které by se spolu s motorem do rezonance „naladily“.

Příklad takové rezonance ve výstupním napětí při měření momentové charakteristiky asynchronního motoru je znázorněn na obr. 2a. V napětí je velmi zřetelná složka s vyšší neharmonickou frekvencí 823 Hz. U zdrojů z produkce BPE byla vyvinuta softwarová funkce, založená na principu filtrace selektivní rezonanční frekvence, která dokáže tento nepříznivý děj kompenzovat, viz vedlejší průběh napětí na obr. 2 b.

Obr. 2. Kmitání napětí způsobené rezonancí statického zdroje a motoru a napětí s kompenzací rezonance

Příklady realizovaných řešení

Společnost BPE realizovala několik zajímavých zdrojů, z nichž si tři konkrétní produkty představíme.

Statický regulovaný zdroj pro typovou výstupní zkušebnu motorů

Zdroj zajišťuje napájení pro veškeré zkoušky třífázových asynchronních motorů. Výstupní výkon je 2 800 kVA krátkodobě a 1 200 kVA trvale. Napětí do 1 000 V ve třech rozsazích, proud až 3 400 A, frekvence 1 až 150 Hz, přesnost regulace napětí 0,1 %. Rekuperace energie prostřednictvím aktivních usměrňovačů.

Tester PTC prvků statorových vinutí

V tomto případě se nejedná pouze o napájecí zdroj, ale o kompletní tester, včetně měření, vyhodnocování a záznamu výsledků zkoušek. Tester slouží pro měření reakční doby tepelné ochrany, termistorů PTC, instalovaných ve vinutí statorového svazku asynchronních motorů v provedení pro prostředí s nebezpečím výbuchu. Výstupní napětí do 400 V, proud až 3000 A, s frekvencí až 100 Hz.

Základem je výkonový regulovaný zdroj sinusového napětí s měničem frekvence, napájející testované statorové svazky. Vzhledem k velkému podílu induktivní jalové složky výkonu je pro její kompenzaci na výstupu zdroje zařazena baterie kompenzačních kondenzátorů se spínanými sekcemi. Potřebný proud je dosažen kombinací řízení výstupního napětí, frekvence a kapacity kompenzačních kondenzátorů. Toto řízení je automatické a nevyžaduje zásah ze strany obsluhy (obr. 3a a 3 b).

Součástí testeru jsou snímače pro kontaktní i bezkontaktní měření teploty.

Obr. 3. Ukázky realizovaných řešení

Zdroj topného napětí vagónů pro depo ČD

Jde o dodávku napájecího systému pro oblast železnice, který poskytuje napájení vlaku pro zkoušky vlakového topení a centrálních zdrojů energie železničních vozů. Napájení je z trojfázové nízkonapěťové sítě 3 × 400 V a vytváří se celkem šest napěťových systémů:
– stejnosměrné napětí 1 500 a 3000 V,
– střídavé napětí 1000, 1500 a 3000 V sfrekvencí 50 Hz,
– střídavé napětí 1000 V s frekvencí 50 Hz.

Obr. 4. Venkovní provedení zdroje pro depo ČD

Výkon je 70 kVA. Provedení ve venkovním kontejneru (obr. 4).

Dodávka byla realizována ve spolupráci s firmou Elektrizace Železnic Praha, a. s.