G M

M M M

M M MM M

110 kV

10 kV tai 6 kV

Gen 1400 V

Moottori

3 kV

690V

400V 690V 690V 690V 690V

400 V 690V 690V 690V 690V

400 V 690V 690V 690V 690V

Tasavirtakäyttöjä

Moottorikeskus

Oikosulkumoottorikäyttöjä

Turvakytkin

ErotinKatkaisijaErotin

Muuntaja

Ohjattutasasuuntaaja

Esimerkki suuren teollisuuslaitoksen sähköjakeluverkosta

f1f2

Kuristin

Teollisuuden sähköverkko

1. Keskijännitekojeisto2. Oikosulkuvirran rajoitus

keskijännitteellä3. 690 V:n kojeisto4. Oikosulkusuojaus5. Kontaktori6. Ylikuormitussuojaus7. Integroidut komponentit8. Taajuusmuuttaja9. Loistehon kompensointi10. Yliaaltojen suodatus11. Virtayliaallot12. Jänniteyliaallot

1

3

2

6

5

4

109

87

11

12

11

10

2

Keskijännitekojeisto Tyypilliset

nimellisjännitteet:• 20 kV, jos ei keski-

jännitemoottoreita tai generaattoreita

• 10 kV ja 6 kV, jos myös moottoreita tai generaattoreita keskijännitteellä

• 3 kV esimerkiksi pienet moottorikes-kukset

– Suojaus

– Katkaisija

1

1

2

2

Johtolähdön suojaus

1

2

• Tyypillisesti numeerinen suojarele

• Suojausfunktiot esimerkiksi:– Ylivirtasuojaus– Suunnattu

maasulkusuojaus

1

2

Ylivirtasuojaus

Asettelut:• Alempi porras I>,t>

– Vakioaikahidasteinen – Käänteisaikatoimin-

toinen

• Ylempi porras I>>, t>>– Tavallisesti

vakioaikahidasteinen

• Joskus myös kolmas porras I>>>

t

I

t>

t>>

t>>>

I> I>> I>>>

Maasulkusuojaus

• Laajat verkot maasta erotettuja

– Suunnattu maasulkusuo-jaus esim. I0sin -karakteristika

• Suppeissa verkoissa resistanssin kautta maadoitettu

– Hälyttävä U0 suojaus tai suunnattu I0cos-karakteristika

I0

I0

U0

I0

I0

U0

Keskijännitekatkaisija

Tyypillisesti:• Vaunukatkaisija• Katkaisukammiossa

tyhjiö tai SF6 kaasu• Ei rajoita oikosulkuvirran

huippuarvoa (katso Is-rajoitin )

Oikosulkuvirtojen rajoitus keskijännitteellä

Kuristin• Pienentää alakeskusten

oikosulkuvirtoja.

Sulake• Pienentää myös oikosulkuvirran

huippuarvoa.• Ei suurille nimellisvirroille.

Is-rajoitin• Pienentää myös oikosulkuvirran

huippuarvoa.• Suurille niemellisvirroille.• Toiminta perustuu virran

suuruuden ja nousunopeuden perusteella toimivaan räjähdyspanokseen.

• Rajoitetaan esimerkiksi muuntajan rinnalle kytketyn generaattorin virtaa (kuvassa i1 ).

Kalustusvaihto-ehdot:• Kiinteä• Ulosotettava• Ulosvedettävä

Maadoitustavat:• Resistanssin

kautta maadoitettu

• Maasta erotettu

690 V kojeisto

2

1

Resistanssin kautta maadoitettu verkko

• Maasulku ei aiheuta käyttökeskeytystä => hälyttävä maasulkusuojaus

• Vian etsintä lähtökohtaisesti kaapelivirtapihdillä

• Vikavirran havaitsemisen parantamiseksi kytketään tähtipistevastuksen rinnalle lisävastus R2

Maasta erotettu verkko

• Laite mittaa eristystasoa generoimalla maasta erotettuun verkkoon tiettyä signaalia

• Vian paikallistaminen yleensä erillislaitteella

• Kytkinvaroke kahvasulakkeilla– Katkaisukyky 100 kA– Paras virranrajoituskyky suurilla

oikosulkuvirroilla• Moottorinsuojakytkin

– Pienille nimellisvirroille– Katkaisukyky riippuu jännitteestä

• Virtaa rajoittava kompaktikatkaisija– Katkaisukyky riippuu jännitteestä– Yleensä sulaketta huonompi

virranrajoituskyky suurilla oikosulkuvirroilla • Oikosulkusuojauksen ominaisuuksia kuvaavat:

– Virta/aika –ominaiskäyrät– Virran rajoituskäyrät– Läpipääsevän energian rajoituskäyrät ( i2t-

käyrät)– Koko suojauksen vaikutus otetaan

huomioon koordinaatiotaulukoissa

Oikosulkusuojaus

1

2

3

4

Oikosulkusuojauksen virta/aika-ominaiskäyrät

aM-sulake Katkaisija ilman ylikuormitussuojaa

Virran rajoituskäyrät

aM-sulake Virtaa rajoittava kompaktikatkaisija

Läpipääsevän energian rajoituskäyrät ( i2t-käyrät)

aM-sulake Virtaa rajoittava kompaktikatkaisija

Koordinaatiotaulukot

Sovittaa yhteen moottorin, kontaktorin, ylikuormitussuojan, oikosulkusuojan ja usein myös kaapelin.

Kontaktori

Sähkömekaaninenkontaktori• Koskettimien

käyttöikä n. 1-2 milj. käynnistys/ pysäytys toimintaa

• Pieni jännite- ja tehohäviö

Puolijohdekontak-tori• Ei kulu• Suuri jännite- ja

tehohäviö• Pienehkö

nimellisvirta

Ylikuormitussuojaus

Lämpörele• Perustuu bi-metallin

taipumaan• Avaa ylikuormitustilan-

teessa moottorin kon-taktorin ohjauspiirin

• Voi sisältyä myös kompaktikatkaisijaan

Käämin lämpötilaa mittaavat ylikuormitussuojat• Termistorit• PT-100 anturit

Moottorinsuojarele jaälykäs moottorinohjain• Sisältää myös muita

vikasuojauksia• Toimii myös ohjaus- ja

mittauselimenä

1

Moottorinsuojarele jaälykäs moottorinohjain

• Moottorin ohjaus ja valvonta väylän kautta

• Ylikuormitussuojaus perustuu mitattujen virtojen avulla laskettuun moottorin lämpenemään

• Muita vikasuojauksia esim: maasulkusuojaus, käynnistyksen valvonta, ylivirtasuojaus, vinokuormitussuojaus, alikuormitussuojaus.

Integroidut komponentit • Yhteen kojeeseen

integroituna kon-taktoritoiminnon lisäksi oikosul-kusuojaus, yli-kuormitussuojaus, mahdollisesti muita suojauksia sekä väylän kautta tapahtuva ohjaus ja valvonta.

Taajuusmuuttaja

• Verkkosuuntaajana yleensä kuusipulssinen diodisuuntaaja

• Invertterin ohjattuna komponenttina yleensä IGBT

• Suurella kytkentätaajuudella lähes sinimuotoinen moottorivirta

• Verkkovirta säröytynyt

• Ohjaustavat:– Skalaariohjaus– Vektorisäätö– DTC-säätö3

1

2

M

R j

ja rru ka tko jaja -va stu s

U d

ta sa su u n taa ja inve r tte r ivä lip iir i

U u

i

ve rkko m o o tto ri

Taajuusmuuttajan skalaariohjaus

• Taajuusmuuttajalle annetaan taajuusohje, josta lasketaan jänniteohje nostamalla sitä tavallisesti lineaarisesti nimellisjännitteeseen.

Taajuusmuuttajan vektorisäätö

• Staattorivirta jaetaan roottorivuon suhteen avaruusvektorina kahteen komponenttiin id ja iq , joita säädetään erikseen.

• Momentti on verrannollinen virtakomponenttien tuloon T=Kt id iq.

• Vakiovuoalueella pyritään pitämään vuohon verrannollista komponenttia id vakiona säätämällä jänniteohjeen amplitudia. Momenttiin verrannollinen virtakomponentti iq pyritään pitämään ohjearvossaan säätämällä taajuusohjetta.

Ψr

isiq

id

Taajuusmuuttajan DTC-säätö

• Säätö perustuu staattorivuon ohjaamiseen invertterin kytkentäkombinaatioilla siten, että sekä staattorivuo että momentti pysyvät halutun hystereesin sisällä.

• Säätö laskee 25 s välein optimikytkennän, jolla säädetään momenttia ja staattorivuota.

Loistehon kompensointi • Kondensaattoriparistoilla,

jos ei tarvetta yliaaltojen suodatukseen tai ei resonanssivaaraa.

• Estokelaparistoilla, jos yliaaltojen aiheuttama resonanssivaara.

• Imupiireillä, jos tarvetta myös yliaaltojen suodatukseen.

1

2

Estokelaparisto

• Käytetään loistehon kompensointiin pelkkien kondensaattoreiden sijaan, jos verkossa resonanssivaara.

• Käämin ja kondensaattorin muodostama sarjaresonanssipiiri, jonka viritystaajuus on alle verkossa esiintyvien yliaaltotaajuuksien esim. 189 Hz.

• Piiri on induktiivinen yli viritystaajuudella eikä voi muodostaa rinnakkais-resonanssia muuntajan kanssa.

• Verkon nimellistaajuudella piiri vastaa kondensaat-toria.

f/Hz

Z

fr=18950

kap ind

Sähköverkon resonassitilanne

Rinnakkaisresonanssi:

• Syöttävän verkon (lähinnä muuntajan) induktanssi ja kompensointikondensaattorin kapasitanssi muodostavat rinnakkaisresonanssin jollakin verkossa esiintyvällä yliaaltotaajuudella.

• Aiheuttaa resonanssivirran voimakkaan vahvistumisen muuntajassa ja kondensaattorissa. Seurauksena suuret virta- ja jänniteyliaallot.

Sarjaresonanssi:

• Yliaaltolähteen ja kondensaattoripariston väliset muuntajat muodostavat sarjaresonanssipiirin kondensaattorien kapasitanssin kanssa.

Rinnakkaisresonanssi

Sarjaresonanssi

Jännitteet rinnakkaisresonanssissa

• Esimerkki vaihejännitteestä ilman kompensointia ja kompensoinnin aiheuttamassa 7. yliaallon resonanssitilanteessa.

Virtayliaallot

• Erityisesti suuntaajakäyttöjen verkosta ottama virta ei ole sinimuotoista, jolloin se voidaan jakaa perusaaltoon ja yliaaltoihin.

• Jos suuntaajan pulssiluku on p, saadaan yliaallon järjestysluvuksi n=p.i+-1, jossa i=1,2,3,…

• Täysin tasoittuneella DC-virralla saadaan n:nen yliaallon tehollisarvoksi

In=I1/n.

• Kokonaisvääristymä:

0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 0.014 0.016 0.018 0.02150

120

90

60

30

0

30

60

90

120

150

i( )t

i sum( ),t 13

0

t

0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 0.014 0.016 0.018 0.02150

120

90

60

30

0

30

60

90

120

150

i( )t

i 1( )t

i 5( )t

i 7( )t

i 11( )t

i 13( )t

t

...)7sin(2)5sin(2)sin(2)( 171511 tItItIIti av

...27

25

21

22 IIIII av

Esimerkiksi

1

21

2

1

2

2

I

II

I

I

THD nn

Yliaaltojen suodatus

• Esimerkiksi suuntaajakäyttöjen aiheuttamia virtayliaaltoja suodatetaan

– imupiireillä– aktiivisuodattimilla

• Imupiiri on sarjaresonanssipiiri, joka on viritetty halutulle yliaaltotaajuudelle

• Suuntaaja voidaan käsitellä verkossa perus- ja yliaaltoja generoivana virtalähteenä, jolloin imupiiri muodostaa yliaaltovirralle pieni-impedanssisen virtatien. Tällöin pääosa yliaaltovirrasta sulkeutuu imupiirin eikä syöttävän verkon kautta.

1

Pienjänniteimupiiri Keskijänniteimupiiri

Aktiivisuodatin

• Invertteritekniikkaan perustuva laite, joka generoi suuntaajan virran yliaallot. Syöttävästä verkosta syötetään vain perusaalto.

• Voi kompensoida myös loistehoa.

Jänniteyliaallot

Yliaaltovirtojen aiheuttamat

jänniteyliaallot:• Kukin yliaaltovirtakomponentti

aiheuttaa verkon impedansseissa vastaavan jännitehäviökomponentin.

• Jännitteeseen syntyy samat harmooniset yliaallot kuin virroissa.

Suuntaajan kommutoinnin aiheuttama

jännitteen säröytyminen:• Johtuu suuntaajan toiminnan

aiheuttamasta lyhytaikaisesta oikosulusta.

U Z Z I

U

Z

Z

I

n Sn Mn n

n

Sn

Mn

n

= +

=

( )

jossa

= n:s yliaaltojännite

= syöttöverkon impedanssi n: llä yliaallolla

muuntajan impedanssi n: llä yliaallolla

= n:s yliaaltovirta