השתמשו בפתרונות שיפור איכות הספקת-הכוח כדי להגן על תשתית החשמל של מתקנים לטיהור מים

עלויות החשמל יכולות להוות עד 40% מתקציב התפעול של מתקן טיהור מים. לכן חיוני שהמתקן יפעל ביעילות הגבוהה ביותר. עם זאת, המשאבות, דוחפי המנועים, ציוד התאורה והמדחסים של המתקן יהיו חשופים לבעיות איכות הספקת-הכוח (PQ‏) כגון עיוותים הרמוניים, נפילות מתח ממושכות (Notching‏), צניחות מתח, עליות מתח ורעשים חשמליים. בעיות PQ אלו גורמות לאי-יעילות, השבתות ונזקים לציוד.

ציוד שיפור ה-PQ פותר בעיות במתקני טיפול במים. מוצרים כגון שנאי בידוד דוחפים, מייצבי חיווט קשיח, מאכשרי קווי הספקת-כוח, התקני הגנה מפני נחשולי מתח (SPDs‏) ומסננים עוקבים אקטיביים, פועלים לשיפור הנצילות, מניעת השבתות והגנה מפני נזקים לנכסי חשמל יקרי ערך.

מאמר זה מתאר בקצרה את בעיות ה-PQ העומדות בפני מתכנני ציוד חשמלי במתקני טיפול במים. לאחר מכן הוא מציג ציוד לשיפור ה-PQ של SolaHD‏ שניתן ליישם כדי להקל על ה-PQ‏ ולמקסם את הנצילות.

בעיות PQ

בעוד שהספקת האנרגיה למתקן טיפול במים (איור 1) עשויה להיות אמינה בדרך כלל, לעתים קרובות מתעוררות בעיות PQ. בעיות כאלה מתבטאות בעיוותים הרמוניים לא-רצויים, צניחות מתח, עליות מתח ורעשים חשמליים.

איור 1: הספקת האנרגיה למתקן טיפול במים יכולה להיות תוצאה של בעיות PQ העלולות לגרום לאי-יעילות, השבתות ונזקים לציוד. (מקור התמונה: SolaHD)

אתגרי PQ במתקן טיפול במים יכולים לנבוע ממקורות חיצוניים כגון ברק, או מקורות פנימיים כגון הציוד החשמלי עצמו. לדוגמה, דוחפים במהירות משתנה באיכות נמוכה יותר יכולים ליצור עיוותים הרמוניים הנוצרים כאשר עומס לא-ליניארי צורך זרם בפולסים (איור 2). הרמוניות מאלצות מוליכים לשאת זרמים בתדרים השונים מ-60 (או 50) הרץ הסטנדרטיים.

איור 2: הרמוניות נוצרות כאשר עומס לא-ליניארי צורך זרם בפולסים ומאלץ מוליכים לשאת זרמים בתדרים השונים מ-60 (או 50) הרץ הסטנדרטיים. (מקור התמונה: SolaHD‏)

עקב צריכת זרם לא-ליניארית בנקודות ספציפיות לאורך גל סינוס של המתח, במקום גל סינוס שלם, ציוד חשמלי מייצר תדרים הרמוניים שהם כפולה שלמה של התדר הבסיסי. הרמוניות בתדר נמוך (לדוגמה, 180 הרץ, 300 הרץ או 420 הרץ) נגרמות מעיוותי זרם בתדר נמוך וזרמים מוסטי-פאזה הזורמים דרך מערכת הספקת-הכוח. הרמוניות בתדר גבוה (בין 1 קילו-הרץ ל-3 קילו-הרץ) נגרמות עקב מיתוג זרמים גבוהים בעומסים בהספק גבוה הממותגים אלקטרונית באופן לא-לינארי.

תופעת הרמוניות נוספת, נפילת מתח ממושכת (Notching‏), נגרמת עקב מיתוג של מיישרי זרם בציוד לטיפול במים כגון דוחפי מנועי DC, מתנעי מנועים וספקי כוח. נפילות מתח ממושכות נוצרות בדרך כלל עקב קומוטציה במיישרים מבוקרי-סיליקון (SCRs‏). במהלך הזמן הקצר שבו מועבר זרם מ-SCR מוליך אחד למשנהו, נוצר קצר חשמלי. ה-SCR החדש מתחיל להוליך בעוד שה-SCR הקודם ממשיך גם הוא להוליך לזמן קצר. זה גורם לקצר פאזה-לפאזה, בדרך כלל לכמה מיקרו-שניות (µs), ארוך מספיק כדי להוריד את המתח. נפילות מתח ממושכות (Notching‏) עשויות להיגרם בכל נקודת זמן במהלך חצי מחזור AC‏, כאשר זווית הקומוטציה אינה קבועה מכיוון שהיא משתנה כדי לעמוד בדרישות העומס.

אמנם ישנם מספר מקורות חיצוניים ופנימיים לבעיות PQ, אך כ-80% מהן נגרמות עקב צניחות מתח. ה-IEEE מגדיר נפילת מתח (Sag‏) כירידת מתח של 10% עד 90% מתחת למתח הרגיל ב-60 הרץ. משך אירוע צניחת מתח הוא פחות מ-60 שניות אך יותר מ-8 מילי-שניות (ms‏) (איור 3).

איור 3‏: נפילות מתח הן ירידות מתח של %‏10‏ עד %‏90‏ והן אחראיות על %‏80‏ מבעיות ה-PQ‏. (מקור התמונה: SolaHD‏)

בעוד שעליות מתח (Swells‏) מתרחשות בתדירות נמוכה יותר מאשר צניחות מתח, הן מטרידות באותה מידה. עליית מתח היא מצב של מתח-יתר עם עלייה זמנית ברמת המתח, מחצי מחזור תדר ועד למספר שניות (איור 4). הפרעות אלו יכולות להיגרם עקב כיבוי עומסי ציוד גדולים במתקן טיפול במים או אירועים אחרים כגון מיתוג קבלי תיקון גורם הספק (PFC).

איור 4‏: עליית מתח היא מצב של מתח-יתר עם עלייה זמנית של רמת המתח, מחצי מחזור תדר ועד למספר שניות (מקור התמונה: SolaHD‏)

בעיות מתח ורעש אחרות

ציוד חשמלי ומערכות חלוקה עלולים להכניס בעיות מתח אחרות, כולל טרנזיינטי מתח, הפסקות חשמל ואי-איזון. נקראים גם קפיצות מתח, טרנזיינטים הם עלייה משמעותית במתח הנמשכת כמה מיקרו-שניות בלבד (איור 5‏). פגיעות ברק, מיתוג מכני, מיתוג קבל או מערך קבלים, מערכות הספקת-כוח המופעלות-מחדש לאחר תקלה, מיתוג שנאים ועצירה פתאומית של ציוד מסוים הם כולם מקורות של טרנזיינטים.

איור 5‏: טרנזיינטים הם עלייה משמעותית במתח הנמשכת כמה מיקרו-שניות בלבד. (מקור התמונה: SolaHD‏)

הפסקות מתח הן שיבושים בהספקת-הכוח הנמשכים בין שניות ספורות ועד עשרות שניות. שיבושים של יותר מחמש שניות נקראים בדרך כלל הפסקות מתמשכות. מקרים טיפוסיים הם תאונות או כשלי ציוד בייצור בחברת החשמל או ברשתות החלוקה.

אי-איזון מתח הוא אחת הבעיות הנפוצות ביותר במערכות תלת-פאזיות. מצב מאוזן נורמלי הוא כאשר שלושת מתחי הפאזות זהים בגודלם, וזוויות הפאזה הן בהפרש של 120°. אם פאזה אחת תהיה עמוסה מדי בהשוואה לאחרות, המתח יהיה נמוך יותר באותו פאזה, ויגרום לאי-איזון.

רעש מיתוג חשמלי יכול להיווצר מכל ציוד כאשר הוא מופעל או מכובה עקב זרימה או יציאה של מתח או זרם. רעש יוצר שינויים מהירים במתח המייצרים השפעות לא-רצויות או פוגעים במעגלים אלקטרוניים (איור 6).

איור 6: רעש חשמלי מייצר שינויי מתח מהירים העלולים להזיק למעגלים אלקטרוניים. (מקור התמונה: SolaHD)

ההשפעה של בעיות PQ על ציוד המתקן

בעיות PQ מתבטאות בדרכים שונות המשפיעות על הנצילות, האמינות ואורך החיים של ציוד טיפול במים. לדוגמה, ההרמוניות יכולות להשפיע על ציוד בכל מתקני טיפול במים עקב התחממות-יתר של מוליכים ושנאים, הפעלת מפסקי זרם ויצירת זרם גבוה, תוך הפחתת קיבולות המערכת ואפילו התרופפות מחברים חשמליים.

נפילות מתח ממושכות (Notching‏) יוצרות הרמוניות בתדר גבוה העלולות להזיק לאלקטרוניקה הרגישה של מעגלי לוגיקה ותקשורת במתקני טיפול במים. כמו כן, זרימת הזרם הנוספת שנוצרת עקב נפילות מתח גורמת לעומס-יתר על מסנני הפרעות אלקטרומגנטיות (EMI) ומסנני הקווים. יתר על כן, נפילות מתח יכולות ליצור הפסדים נוספים בקבלי PFC ולהוביל לטמפרטורות פעולה גבוהות.

בעיות במהלך צניחת מתח כוללות משאבות מים המשתמשות במנועי AC בעומס מומנט קבוע, צריכת זרם גבוהה יותר, הפחתת הנצילות ולעיתים הפעלת ממסרי עומס-יתר.

עליות מתח (Swells‏) אינן גורמות בדרך כלל לכשל מיידי בציוד, אך מערכות עלולות להיכנס למצב של מאמצי-יתר ולהיחלש עקב חשיפה חוזרת ונשנית. עליות מתח יכולות גם לגרום להפעלות שווא של מפסקי זרם והתקני הגנה אחרים. בעיה נוספת הקשורה לעליית מתח היא פגיעה בבידוד, העלולה לסכן את הפעולה הבטוחה של מתקן לטיפול במים עקב גרימת שריפות.

הפסקות חשמל עוצרות את פעילות מתקני הטיפול במים ועלולות לקצר את תוחלת החיים של ציוד חשמלי. יתר על כן, מעגלי בקרת מנועים ומערכות בקרת תהליכים רבים אינם מתוכננים להפעלה-מחדש אוטומטית לאחר ניתוק המתח.

אי-איזון במתח עלול לגרום לנזק חמור לציוד. לדוגמה, כאשר מנוע אינדוקציה מוזן במתח לא-מאוזן, זרמי הקו הם בדרך כלל פי כמה מגודל אי-איזון המתח. המשמעות היא שלמנוע מוזן עם אי-איזון מתח של 5% יכול להיות אי-איזון זרם של %‏20‏ עד 30%. הזרם הנוסף יגרום להפסדי התנגדות (R‏^2‏I‏) במנוע, וכתוצאה מכך לעלייה בטמפרטורה של עשרות מעלות צלזיוס.

רעש חשמלי הוא בעיה רצינית עבור חיישני מצב-מוצק ופקדים הנמצאים במתקני טיפול מים מכיוון שהם פועלים במהירויות גבוהות ורמות הספק נמוכות ביותר. ככל שמתח האות נמוך יותר, האמפליטודה של מתח הרעש שניתן לסבול נמוכה יותר.

הפחתת בעיות PQ

ניתן להשיג הפחתת הרמוניות באמצעות שנאי בידוד דחיפה המבצע שלוש פונקציות חיוניות: שינוי מתח, הפחתת זרם הארקה מושרה-דוחף והפחתת רעש אופן-משותף (CM‏). השנאים חייבים להיות מסוגלים לעמוד בחום של עומסים לא-ליניאריים. דוגמה לכך היא שנאי בידוד דחיפה 23-22-112-2‏ של SolaHD. שנאי זה מקבל כניסת 120 וולט או 240 וולט, מספק יציאה של 120 וולט ומציע עיוותים הרמוניים (בעומס מלא בתוך תחום הכניסות) ביציאה של 3% מסה"כ רכיב ה-RMS. הערך האפקטיבי, או RMS, של רכיב ההרמוניות מתאר את ההספק הממוצע של רכיב ההרמוניות לאורך מחזור אחד.

שנאי בידוד דחיפה הוא כמעט חופשי-מהרמוניות הודות להוספת סליל ניטרול (איור 7‏). כדי לראות איך זה עובד, בחנו את ההתקן כשנאי רגיל כאשר סליל הנטרול מנותק. בסליל המעגל-הפתוח כעת יש מתח המושרה בו כאשר חלק מהשטף המגנטי עובר דרך הרגל המרכזית של הליבה אל הרגליים החיצוניות. למתח זה יש רכיב הרמוניות-אי-זוגיות גבוה עקב שטף הזליגה מליפופי היציאה.

איור 7: שנאי בידוד דחיפה 23-22-112-2 הוא בעל יציאה כמעט ללא הרמוניות הודות לתוספת של סליל ניטרול. (מקור התמונה: SolaHD‏)

שטף הזליגה יכול לחזור לליפוף היציאה בשני נתיבים. נתיב אחד עוקף את סליל הנטרול והנתיב השני מתקשר לסליל הנטרול. על ידי בקרת הרילקטאנס של נתיבים מגנטיים אלה, ניתן לבקר את מידת השטף השניוני המוצמד לסליל הנטרול. סליל הנטרול מחובר עם תוסף קוטביות שלו לסליל השניוני (או היציאה).

ליציאה של שנאי בידוד זה יש מתח קבוע והוא חופשי כמעט לחלוטין מהרמוניות. ההרמוניות עדיין נוכחות בסליל הנטרול; עם זאת, מכיוון שהשטף מהליפוף השניוני הוא הגורם להרמוניות הללו, ומאחר וההרמוניות בכל סליל נמצאות ב-180 מעלות בקירוב מחוץ לפאזה, הן מתבטלות.

SolaHD מציעה גם את מייצב החומרה MCR‏ עם 250 וולט-אמפר (VA‏) (איור 8‏) עבור הפחתת ההרמוניות. המייצב מציע כניסות של V‏ 120‏, V‏ 208‏, V‏ 240‏ ויציאה של V‏ 480‏. העיוותים ההרמוניים ביציאה (בעומס מלא בתוך תחום הכניסות) %‏3‏ מסה"כ רכיב ה-RMS‏.

איור 8: מייצב Hardwire‏ MCR‏ ‎63-23-125-4‏ מעניק עיוותים הרמוניים ביציאה של %‏3‏ מסה"כ רכיב ה-RMS‏. (מקור התמונה: SolaHD)

מייצב Hardwire‏ בנוי תוך שימוש בטכנולוגיית שנאי פרו-תהודתי של SolaHD‏. פרו-תהודה (Ferroresonance‏) היא טכניקת תכן שנאים היוצרת שני נתיבים מגנטיים נפרדים בהתקן עם צימוד מוגבל ביניהם. יתרון אחד של התכן הוא שזרם הכניסה מכיל זרם הרמוניות זניח ביחס ליסודי. צד היציאה של השנאי כולל מעגל Resonant Tank‏ מקבילי המושך חשמל מהראשוני כדי להחליף את ההספק המועבר לעומס.

שנאי פרו-תהודתי יוצר מעגל לא-לינארי שבו התהודה משמשת להפחתת השינויים במתח ההספקה כדי לספק מתח יותר עקבי לעומס.

הרילקטאנס של השנאי משתנה בפתאומיות מעל צפיפות שטף מגנטי מסוימת (רוויה). השנאי מאפשר לנתיב מגנטי אחד (נתיב התהודה) להיות ברוויה בעוד שהשני נשאר לא-ברוויה. כאשר פועלים באופן זה, שינויים נוספים במתח הראשוני אינם משנים את המתח הרווי או השניוני, וניתן להשיג ייצוב.

מאכשרי הספקת-כוח משמשים כדי להגן על מערכות עיבוד קריטיות מפני צניחות מתח.

מייצבי מתח וספקי כוח עם חסינות צניחה גם מגנים מפני נפילות במתח ההספקה.

ניתן להתמודד עם עליות מתח על ידי SPDs, אשר ניתן להתקין בכניסה לשירות, פאנלי סעף או עומסים אלקטרוניים רגישים ייעודיים בקרבת מקום. כאשר מתרחשים נחשולי מתח, ה-SPD מסיט את הזרם לתוך חוט ההארקה. הספקת-הכוח מקוצרת למעשה להארקה עבור פולסים טרנזיינטיים העולים על הסף בעוד שזרימת זרם רגילה אינה מושפעת.

ה-SPD‏ STCHSP121BT1RU‏ של SolaHD‏ (איור 9‏) מציע שיכוך נחשולים עבור הספקת-כוח AC‏ וקווי אותות במתח נמוך. מאפייני השיכוך כוללים סינון של רעשי אופן-משותף (CM‏) ואופן-רגיל והגנה על וארייסטור תחמוצת מתכת (MOV). זמן התגובה לטרנזיינט הוא פחות מ-5 ננו-שניות (ns), והעמידות היא לזרם נחשול מקסימלי של 39 קילו-אמפר (kA). ה-SPDs מציעים גם הגנה מפני מתחים חולפים מאירועים כגון פגיעות ברק, אם כי הם אינם מחליפים מערכת הגנה מקיפה מפני ברק.

איור 9‏: המשכך SPD‏ STCHSP121BT1RU‏ מציע סינון של רעשי אופן-משותף (CM‏) ואופן-רגיל והגנת MOV‏. (מקור התמונה: SolaHD‏)

הפחתת רעש מיושמת באמצעות מסנני עקיבה אקטיביים כגון ה-STFV025-24L‏ של SolaHD‏. יחידה זו עוקבת ברציפות אחר קו מתח AC הכניסה ומגיבה כאשר היא מזהה רעש בתדר גבוה. המסנן מבטל רעש במתח נמוך/תדר גבוה באמצעות מסנן משרן-קבל (LC) מעביר-נמוכים. מסנני נגד-LC‏ (LCR‏) משמשים עבור הפחתת רעשי תדר-גבוה ואנרגיה נמוכה. המשרנים הממוקמים על כל פאזה ועל מוליכי האפס הם בגודל המתאים להתמודדות עם משיכת זרם מקסימלי על הקו. זמן התגובה עבור STFV025-24L הוא < ns‏ 5‏, והפחתת הטרנזיינט עבור Category A Ringwave‏ טיפוסי (kV‏ 6‏, A‏ 200‏, kHz‏ 100‏) היא < V‏ 10‏ שיא.

סיכום

כדי לשפר את הנצילות חיוני למנוע בעיות PQ, למנוע השבתות ולהגן מפני נזק לנכסי חשמל יקרי ערך. בעיות אלה כוללות עיוותים הרמוניים, צניחה מתח ועליות מתח, מתחים טרנזיינטיים ורעש חשמלי. התמודדות עם אלה דורשת גישה רב-שכבתית. עבודה עם ספק כמו SolaHD היכול לספק מגוון של ציוד הגנה, כולל שנאי בידוד דחיפה, מייצבי Hardwire‏, מאכשרי הספקת-כוח ומסנני קווים אקטיביים, מקלה על מתן אמצעי ההגנה הדרושים.