Σύστημα εποπτείας-καταγραφής και ανάλυσης ποιότητας ισχύος

«ΔιερΕΥνηση Και Aντιμετώπιση προβλημάτων ποιότητας ηλεκτρικής Ισχύος σε Συστήματα Ηλεκτρικής Ενέργειας (ΣΗΕ) πλοίων» (ΔΕΥ.Κ.Α.Λ.Ι.ΩΝ) πράξη ΘΑΛΗΣ-ΕΜΠ, πράξη ένταξης 11012/9.7.2012, MIS: 380164, Κωδ.ΕΔΕΙΛ/ΕΜΠ: 68/1129 Παραδοτέο: Π7.3.1 (Φάκελος Παρουσίασης Δοκιμών του Συστήματος Ε- ποπτείας) Σύστημα εποπτείας-καταγραφής και ανάλυσης ποιότητας ισχύος

Πίνακας Περιεχομένων Εισαγωγή.. 1 1 Αποτελέσματα μετρήσεων στον προσομοιωτή ηλεκτρικού δικτύου πλοίου).... 1 2 Αποτελέσματα μετρήσεων από το online σύστημα παρακολούθησης δεδομένων των μετρητικών ELSPEC...... 5 2.1 Μετρήσεις τάσης και ρεύματος... 5 2.1.1 Κινητήρας Νο1 (Lump Oil Pump). 5 2.1.2 Κινητήρας Νο 2 (Cooling Sea Water Pump). 7 2.1.3 Κινητήρας Νο.3 (Ventilation Fan).. 8 2.2 Μετρήσεις Ενέργειας.. 9 2.3 Μετρήσεις Αρμονικών και THD.. 11 2.3.1 Αρμονικό Περιεχόμενο Τάσης και Ρεύματος. 11 2.3.2 Ολική Αρμονική Παραμόρφωση (Total Harmonic Distortion-THD).. 13

Εισαγωγή Στην έκθεση αυτή παρουσιάζονται τα αποτελέσματα των μετρήσεων, τα οποία πραγματοποιήθηκαν αρχικά στον προσομοιωτή ηλεκτρικού δικτύου πλοίο του εργαστηρίου, ενώ στη συνέχεια αναλύονται τα δεδομένα που ανακτήθηκαν από τα μετρητικά όργανα που εγκαταστάθηκαν στο πετρελαιοφόρο SEASCOUT. Συγκεκριμένα παρουσιάζονται τα αποτελέσματα των μετρήσεων από τους τρεις κινητήρων (βλ. Π1.1.1). Τα αποτελέσματα αυτά αφορούν κυρίως τα θεμελιώδη ηλεκτρικά μεγέθη (τάση, ρεύμα και ισχύς), τα οποία μετρήθηκαν ενώ στη συνέχεια παρουσιάζονται ηλεκτρικά μεγέθη, τα οποία υπολογίστηκαν από τα μετρητικά όργανα όπως το αρμονικό περιεχόμενο της τάσης και του ρεύματος και η αντίστοιχη ολική αρμονική παραμόρφωση. Τέλος, γίνεται αναφορά στο κατά πόσο η αλλαγή του τρόπου εκκίνησης των κινητήρων επηρεάζει τη συνολικά κατανομή της ηλεκτρικής ενέργειας στο πλοίο. 1. Αποτελέσματα μετρήσεων στον προσομοιωτή ηλεκτρικού δικτύου πλοίου Το σύστημα εποπτείας του προσομοιωτή ηλεκτρικού δικτύου πλοίου, έχει τη δυνατότητα καταγραφής τόσο μεταβατικών φαινομένων, όσο και φαινομένων στη μόνιμη κατάσταση λειτουργίας. Στο κεφάλαιο αυτό θα παρουσιάσουμε τα αποτελέσματα των μετρήσεων για τρεις διαφορετικές καταστάσεις λειτουργίας. Κατά την πρώτη λειτουργία έχουμε θέσει σε λειτουργία τη γεννήτρια και τη λειτουργούμε χωρίς φορτίο. Σε κάποια χρονική στιγμή εισάγουμε στο δίκτυο ωμικό επαγωγικό φορτίο, το οποίο ισούται με 1.6 kw και λαμβάνουμε τις κυματομορφές τάσης και ρεύματος, όπως φαίνεται στο σχήμα 1. 1

Σχήμα 1 Κυματομορφές τάσης και ρεύματος κατά τη σύνδεση R-L φορτίου Όταν το φορτίο είναι εκτός παρατηρούμε ότι το ρεύμα είναι σχεδόν μηδέν, κάτι το οποίο είναι απόλυτα φυσιολογικό, ενώ η τάση είναι η ονομαστική των 230 V. Κατά τη στιγμή όπου κλείνει ο διακόπτης τότε έχουμε αύξηση του ρεύματος και των τριών φάσεων, ενώ ταυτόχρονα έχουμε μια μικρή πτώση τάσης. Η πτώση τάσης που εμφανίζεται οφείλεται κυρίως στο γεγονός ότι το δίκτυο είναι αυτόνομο και όλη η ισχύς για το φορτίο παρέχεται από μία μόνο γεννήτρια. Στη συνέχεια αυξάνουμε το φορτίο από 3.2 kw σε 4.9 kw, το οποίο είναι και το μέγιστο R-L φορτίο που διαθέτει ο προσομοιωτής ηλεκτρικού δικτύου, παρατηρώντας την τάση και το ρεύμα κατά τη διάρκεια του φαινομένου αυτού (Σχ. 2). 2

Σχήμα 2 Κυματομορφές τάσης και ρεύματος κατά τη αύξηση του R-L φορτίου Σύμφωνα με τις κυματομορφές του σχήματος 2, παρατηρείται αύξηση στην τιμή του ρεύματος με την αύξηση του φορτίου, ενώ ταυτόχρονα έχουμε μια επιπλέον πτώση στην τάση από τη γεννήτρια. Συμπεραίνουμε επομένως ότι υπάρχει κίνδυνος η γεννήτρια να ο- δηγηθεί σε υπερδιέγερση, γι αυτό το λόγο κρίνεται αναγκαίο η προσθήκη και των άλλων δύο γεννητριών στο δίκτυο. Τέλος στο σχήμα 3 παρουσιάζονται οι κυματομορφές της τάσης και του ρεύματος κατά την αποσύνδεση του φορτίου από το δίκτυο. 3

Σχήμα 3 Κυματομορφές τάσης και ρεύματος κατά την αποσύνδεση του φορτίου Από το σχήμα 3 αναδεικνύονται δύο κύρια φαινόμενα. Κατά την αποσύνδεση του φορτίου και το μηδενισμό των τριών φασικών ρευμάτων, όπως φαίνεται καθαρά στο παραπάνω σχήμα από τις κυματομορφές των ρευμάτων, έχουμε αύξηση της τάσης της προερχόμενης από τη γεννήτρια. Το φαινόμενο αυτό είναι φυσιολογικό καθώς με την αύξηση του φορτίου η πτώση τάσης αυξανόταν, όμως παρατηρούμε επίσης ότι κατά τους πρώτους κύκλους μετά την αποσύνδεση του φορτίου υπάρχει μια ταλάντωση της τάσης της τάξης των 50 V. Για αυτά τα μεγέθη ενδεχομένως η ταλάντωση αυτή να είναι μικρή, σε περιπτώσεις όμως μεγαλύτερων φορτίων και δεδομένου ότι η ταλάντωση θα είναι μεγαλύτερη, υπάρχει η πιθανότητα το σύστημα να οδηγηθεί σε αστάθεια, κάτι το οποίο σε ένα δίκτυο πλοίου δεν είναι καθόλου θεμιτό. 4

2. Αποτελέσματα μετρήσεων από το online σύστημα παρακολούθησης δεδομένων των μετρητικών ELSPEC 2.1. Μετρήσεις τάσης και ρεύματος Όπως αναφέρθηκε και στο παραδοτέο 7.1.1 τα μετρητικά όργανα εγκαταστάθηκαν σε τρεις διαφορετικούς κινητήρες, ο κινητήρας 1 είναι ο Lump Oil Pump, ο κινητήρας 2 είναι ο Cooling Sea Water Pump και ο κινητήρας 3 είναι ο Ventilation Fan. 2.1.1. Κινητήρας Νο1 (Lump Oil Pump) Η διαδικασία εκκίνησης του κινητήρα Νο1 δεν άλλαξε κατά τη διάρκεια των μετρήσεων. Συγκεκριμένα, ο κινητήρας αυτός έχει ξεκινά με απευθείας τροφοδοσία από το δίκτυο με αποτέλεσμα τα ρεύματα εκκίνησης να επηρεάζουν τη λειτουργία του κατά τη διάρκεια της εκκίνησης. Οι RMS τιμές των πολικών τάσεων του κινητήρα παρουσιάζονται στο σχήμα 4. Σχήμα 4 Πολικές τάσεις του κινητήρα Νο.1 5

Από το παραπάνω σχήμα φαίνεται πως εφαρμόζεται απ ευθείας η τάση στον κινητήρα κατά την εκκίνηση, ενώ τα αντίστοιχα ρεύματα του κινητήρα, φαίνονται στο σχήμα 5. Σχήμα 5 Ρεύματα του κινητήρα Νο.1 Οι απότομες αυξήσεις του ρεύματος είναι φυσιολογικό να επηρεάζουν την ενεργειακή κατανομή στο δίκτυο του πλοίου, αφού εμφανίζονται μεγάλα ρεύματα εκκίνησης, τα οποία παρουσιάζονται στο σχήμα 6. Σχήμα 6 Κυματομορφή του ρεύματος εκκίνησης του κινητήρα Νο.1 6

2.1.2. Κινητήρας Νο 2 (Cooling Sea Water Pump) Στην περίπτωση του κινητήρα Νο 2 έχουμε αλλαγή της διαδικασίας εκκίνησης, συγκεκριμένα ο αρχικός τρόπος εκκίνησης ήταν σε διαδικασία αστέρα τριγώνου, ενώ στην πορεία αυτός άλλαξε εφόσον τοποθετήθηκε μετατροπέας ελέγχου τάσης/συχνότητας (VFD). Οι πολικές τάσεις για όλη τη διαδικασία φαίνονται στο σχήμα 7. Παρατηρούμε ότι για ένα χρονικό διάστημα οι τάσεις είναι μηδέν, αυτό το χρονικό διάστημα είναι ό χρόνος που χρειάστηκε για να γίνει η αλλαγή της διαδικασίας εκκίνησης. Σχήμα 7 Οι RMS τιμές των πολικών τάσεων του κινητήρα Νο.2 Αντίστοιχα στο σχήμα 8 παρουσιάζονται τα ρεύματα του κινητήρα 2, από το οποίο μπορούμε να κάνουμε δύο βασικές παρατηρήσεις. Αρχικά τα ρεύματα εκκίνησης είναι μικρότερα μετά την εγκατάσταση του μετατροπέα, ενώ παρατηρούμε επίσης ότι οι τιμές του ρεύματος είναι πιο σταθερές. Το γεγονός αυτό έχει ως αποτέλεσμα τη μείωση των αρμονικών του ρεύματος, οι οποίες προκαλούν προβλήματα στο ηλεκτρικό δίκτυο του πλοίου. 7

Σχήμα 8 Ρεύματα του κινητήρα Νο.2 2.1.3. Κινητήρας Νο.3 (Ventilation Fan) Τα δεδομένα του τρίτου κινητήρα, τα οποία ανακτήθηκαν από το πλοίο, παρουσιάζονται στα παρακάτω σχήματα. Συγκεκριμένα στο σχήμα 9 παρουσιάζονται οι RMS τιμές της τάσης των τριών φάσεων του κινητήρα. Παρατηρούμε ότι υπάρχουν χρονικές περίοδοι κατά τις οποίες δεν υπάρχουν δεδομένα, αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι εκείνη την χρονική περίοδο ο κινητήρας ήταν εκτός λειτουργίας διότι άλλαζε η μέθοδος εκκίνησης του (βλ. Π.1.1.1). Σχήμα 9 Οι RMS τιμές των πολικών τάσεων του κινητήρα Νο.3 8

Οι RMS τιμές των ρευμάτων του υπό μελέτη κινητήρα φαίνονται στο σχήμα 10. Παρατηρούμε ότι μετά την εγκατάσταση του μετατροπέα για την ομαλή εκκίνηση του κινητήρα, οι τιμές των ρευμάτων είναι αρκετά χαμηλότερες. Το φαινόμενο αυτό επηρεάζει την κατανάλωση ενέργειας του κινητήρα (ουσιαστικά τη μειώνει), με αποτέλεσμα να έχουμε καλύτερη κατανομή της ενέργειας στα ηλεκτρικά φορτία του πλοίου. Σχήμα 10 Οι RMS τιμές των ρευμάτων του κινητήρα Νο.3 2.2. Μετρήσεις Ενέργειας Οι δυνατότητες καταγραφής δεδομένων των μετρητικών οργάνων, τα οποίας εγκαταστάθηκαν στο πλοίο, επεκτείνονται και στην συνεχόμενη καταγραφή της ισχύος (Ενεργού και Άεργου). Λεπτομερής καταγραφή της κατανάλωσης ενεργού και αέργου ισχύος επετεύχθη μέσω των μετρητικών οργάνων. Συγκεκριμένα στο σχήμα 11 έχουν καταγραφεί η ενεργός και η άεργος ισχύς για τον κινητήρα Νο.1. Παρατηρούμε τις μεγάλες ταλαντώσεις της ισχύος του κινητήρα κατά την ονομαστική λειτουργία του κινητήρα. Αξίζει να σημειωθεί ότι υ- πάρχουν περιπτώσεις κατά τις οποίες η άεργος ισχύς είναι μεγαλύτερη από την ενεργό, δημιουργώντας άεργα φορτία στο ηλεκτρικό δίκτυο του πλοίου. 9

Σχήμα 11 Ενεργός (P) και Άεργος (Q) ισχύς για τον κινητήρα Νο.1 Τα αντίστοιχα γραφήματα της ενεργού και της αέργου ισχύος του κινητήρα Νο.2 φαίνονται στο σχήμα 12. Τα αποτελέσματα των μετρήσεων αναδεικνύουν το γεγονός ότι ο κινητήρας έχει τη δυνατότητα να λειτουργήσει με μεγαλύτερη απόδοση κατά την ονομαστική κατάσταση λειτουργίας του. Αξίζει να σημειωθεί ότι στα χρονικά διαστήματα όπυ η ενεργός ισχύς είναι μικρή, αντίστοιχα χαμηλή είναι και η άεργος ισχύς και μάλιστα μειωμένη ακόμα και ως 50%. Σχήμα 12 Ενεργός (P) και Άεργος (Q) ισχύς για τον κινητήρα Νο.2 10

Η εγκατάσταση του μετατροπέα στον κινητήρα Νο. 3 είχε ως αποτέλεσμα τη μείωση της κατανάλωσης της ηλεκτρικής του ισχύος (Σχ. 13), μέσω της μείωσης της ενεργού ισχύος. Συγκεκριμένα, παρατηρείται μείωση της ενεργού και της αέργου ισχύος κατά 22% και 43% αντίστοιχα. Η μείωση της αέργου ισχύος βελτιώνει το αρμονικό περιεχόμενο των ρευμάτων, ενώ παράλληλα περιορίζει και τα άεργα ρεύματα, τα οποία επιφορτίζουν το ηλεκτρικό δίκτυο του πλοίου, με αποτέλεσμα να βελτιώνεται η συνολική λειτουργία του. Σχήμα 13 Ενεργός (P) και Άεργος (Q) ισχύς για τον κινητήρα Νο.3 2.3. Μετρήσεις Αρμονικών και THD 2.3.1. Αρμονικό Περιεχόμενο Τάσης και Ρεύματος Πέραν των μετρήσεων των θεμελιωδών ηλεκτρικών μεγεθών, τα μετρητικά όργανα έχουν τη δυνατότητα να κάνουν υπολογισμό των αρμονικών τάσης και ρεύματος καθώς επίσης και της Ολικής Αρμονικής Παραμόρφωσης (Total Harmonic Distortion-THD) τάσης και ρεύματος. Στο κεφάλαιο αυτό παρουσιάζονται τα οι μετρήσεις που πραγματοποιήθηκαν για τον κινητήρα Νο.3 πριν και μετά την εγκατάσταση του VFD. Όπως φαίνεται και στο σχήμα 14, το αρμονικό περιεχόμενο των τριών πολικών τάσεων δεν άλλαξε σημαντικά, αφού η τάση τροφοδοσίας παρέμεινε η ίδια. Οι μόνες διαφορές ή- ταν μια μικρή αύξηση της 5ης αρμονικής κατά την λειτουργία VFD, η οποία όμως δεν επηρεάζει τη λειτουργία του κινητήρα. 11

Σχήμα14 (α) α) Αρμονικό περιεχόμενο των τάσεων για τη DOL λειτουργία (β) β) Αρμονικό περιεχόμενο των τάσεων για τη VFD λειτουργία Σε αντίθεση με το αρμονικό περιεχόμενο της τάσης, το αντίστοιχο αρμονικό περιεχόμενο των ρευμάτων εμφανίζει σημαντικές διαφορές (Σχ. 15). (α) (β) Σχήμα 15 α) Αρμονικό περιεχόμενο των ρευμάτων για τη DOL λειτουργία β) Αρμονικό περιεχόμενο των ρευμάτων για τη VFD λειτουργία Πριν την εγκατάσταση του VFD μετατροπέα, το ρεύμα εμφάνιζε μόνο μια μικρή 3η και 5η αρμονική, καθώς το ρεύμα ήταν σχεδόν ημιτονοειδές. Η παρουσία το μετατροπέα προκαλεί παραμόρφωση στην κυματομορφή του ρεύματος, αυξάνοντας την 5η και 7η αρμονική με παράλληλη μικρή μείωση της 3ης. Παρατηρούμε δηλαδή ότι μπορεί να πετύχαμε μείωση της τιμής του ρεύματος, όμως η παραμόρφωση στην κυματομορφή του δημιούργησε επιπλέον αρμονικές, οι οποίες με τη σειρά τους αυξάνουν την ολική αρμονική παραμόρφωση (THD). 12

2.3.2. Ολική Αρμονική Παραμόρφωση (Total Harmonic Distortion- THD) Το μεγάλο πλεονέκτημα που μας παρέχουν τα μετρητικά όργανα που εγκαταστάθηκαν στο πλοίο, είναι η δυνατότητα απόκτησης επιπλέον δεδομένων και η επιτόπου ανάλυσή τους. Επομένως, εκμεταλλευόμενοι αυτή τη δυνατότητα καταγράφηκαν η ολική αρμονική παραμόρφωση για την τάση και το ρεύμα του κινητήρα Νο.3. Στον Πίνακα 1 παρουσιάζεται ο THD της τάσης πριν και μετά την εγκατάσταση του VFD. ΠΙΝΑΚΑΣ Ι THD ΤΑΣΗΣ ΚΙΝΗΤΗΡΑ ΝΟ. 3 THD (%) V12 V23 V31 DOL 0.18-1.7 0.15-2.0 0.19-1.8 VFD 0.5-2.6 0.7-2.7 0.65-2.8 Η εγκατάσταση του VFD οδήγησε στην αύξηση του THD της τάσης, ο οποίος μεταβάλλεται μεταξύ 35% και 78%. Παρόλο που η αύξηση φαίνεται σημαντική, σε απόλυτα μεγέθη η αύξηση αυτή είναι μικρή επιτρέποντας στον κινητήρα να λειτουργήσει στα επιτρεπτά όρια. Διαφορετική αποτελέσματα παίρνουμε για τον THD του ρεύματος. Αυτό οφείλεται κυρίως σε δύο λόγους: Ο πρώτος και κύριος λόγος είναι η αύξηση του αρμονικού περιεχομένου του ρεύματος μετά την εγκατάσταση του VFD (Σχ. 15β) Ο δεύτερος είναι οι μεταβολές στην ενεργό τιμή του ρεύματος πάλι κατά τη VFD λειτουργία (Σχ. 10) Συγκεκριμένα, μετά την εγκατάσταση του VFD εμφανίστηκαν ταλαντώσεις στο ρεύμα (Σχ. 10). Αναλύοντας περαιτέρω τις τιμές του ρεύματος πρέπει να εξετάσουμε τρεις διαφορετικές χρονικές περιόδους, όπως φαίνεται στο σχήμα 16. Σχήμα 16 Ενεργός Τιμή ρεύματος για τρεις διαφορετικές χρονικές περιόδους 13

Κατά το πρώτο χρονικό διάστημα (Interval 1) έχουμε DOL λειτουργία του κινητήρα, ενώ το δεύτερο και τρίτο (Interval 2 και Interval 3) αφορούν τη VFD λειτουργία. Οι μεγάλες ταλαντώσεις που εμφανίζονται στο Interval 2 εμφανίζονται λόγω κάποιων δοκιμών στον κινητήρα μετά την εγκατάσταση του μετατροπέα. Για το λόγο αυτό δε δίνουν αξιόπιστα αποτελέσματα, παρόλα αυτά αξίζει να σημειωθεί ότι τα μετρητικά συστήματα συνεχίζουν να καταγράφουν ακόμα και σε μεταβατικές καταστάσεις λειτουργίας. Επομένως, στον Πίνακα ΙΙ εμφανίζεται ο THD των ρευμάτων για αυτές τις τρεις περιόδους λειτουργίας. ΠΙΝΑΚΑΣ II THD ΡΕΥΜΑΤΟΣ ΚΙΝΗΤΗΡΑ ΝΟ. 3 THD (%) I1 I2 I3 INTERVAL 1 0.1-0.9 0.1-0.75 0.1-0.9 INTERVAL 2 0.1-93 0.1-85 0.1-90 INTERVAL 3 44-54 43-53 44-54 Παρατηρούμε από τον παραπάνω πίνακα ότι οι υψηλές ταλαντώσεις στο ρεύμα, δημιουργούν αύξηση στο THD, η οποία φτάνει ακόμα και σε ποσοστό της τάξης του 95%. Α- σφαλή αποτελέσματα μπορούν να εξαχθούν μόνο για την πρώτη και την Τρίτη χρονική περίοδο, καθώς πρόκειται για μόνιμα κατάσταση λειτουργίας. Για τις δύο αυτές περιπτώσεις καταλήγουμε στο συμπέρασμα ότι κατά τη VFD λειτουργία έχουμε αύξηση στην ολική αρμονική παραμόρφωση κατά 440%. 14