Ceratizit AMPER 2019

Za (ne)stabilitu sítě mohou i propojené stroje

Šetrná energetika je dnes frekventované téma. Jenže v naprosté většině je zaměřeno jen na možnosti energetických úspor a ekologii, ale záležitost je mnohem širší. A možná ještě podstatnější je dnes víceméně opomíjená kvalita samotné elektřiny, což bude v nastupující éře inteligentních budov a internetu věcí výrazně nabývat na významu, konstatuje Ing. Jaroslav Smetana, ředitel společnosti Blue Panther, která se zabývá právě touto problematikou.  

 

Je kvalita energie skutečně tak zásadní faktor?
Podniky si hlídají spotřebu, ale většina z nich v podstatě neví, co to vlastně obnáší - soustřeďují se často jen na to, co proteče transformátorem, ale maximální úspora je někde jinde. Např. když má někdo rozbité okno na domě, logicky mu dochází, že tam bude utíkat teplo a že pokud se to neopraví, bude topit pánubohu do oken a utratí více. Jenže paradoxně právě kvůli moderním technologiím, které se teď v průmyslu používají, dostává elektřina čím dál víc na frak. Elektrárna ji vyrábí kvalitní, ale mohou ji kazit uživatelé - aniž o tom vědí, protože většinou nechápou souvislosti. Nevědí, že jejich stroje ovlivňují kvalitu sítě a kvalitu elektřiny jako takové, a že i stroje si mohou škodit navzájem. Moderní technologie produkují rušení, a tím se navzájem ovlivňují, takže si podnik škodí sám a neví o tom.
Tím, jak jsou průmyslová zařízení čím dál více nacpaná elektronikou, nejen výkonovou, ale i řídicí, se situace zhoršuje - jsou tak stále citlivější na změny a podmínky v síti, a na druhou stranu zároveň ty změny samy vytvářejí. Zatímco dříve byl jeden akční člen a transmisní rozvody, večer se vše vypnulo a byl klid. Dnes jsou tam desítky akčních prvků v sekundových rychlostech, které neustále ovlivňují síť a ta „rozhádanou“ elektřinu posílá k dalším strojům, které to následně také ovlivňuje. Každé zařízení samo o sobě je v pořádku, ale jako systém, komplex připojený na síť, už je to něco jiného. Všechny stroje v Evropě musí splňovat elektromagnetickou kompatibilitu EMC a EMG a musí se konstruovat tak, aby v rámci norem nebyly překračovány dané tolerance. To platí o jednotlivých zařízeních a nikdo už se příliš nezabývá tím, co nastane, když se dají dohromady. Nikdo neudělá elektromagnetickou kompatibilitu celé továrny.
A to je to, co se snažíme dělat my. Zjistit stav, který nastane, když se všechny stroje propojí na elektrickou síť a jak se ovlivňují. To je dynamický proces jednak v krátkém čase, v rytmu výrobního cyklu, ale i změn v továrně - dnes není neobvyklé, že se třeba po půl roce mění výrobní program, překonfigurovávají se stroje i výrobní linky, stěhují se technologie a vše je najednou jinak. Kromě hlídání spotřeby by se firmy měly zaměřit i na to, jak se jim změnily parametry sítě. A před spuštěním nové konfigurace zjistit, k jakým změnám a procesům v nové sestavě došlo z hlediska kvality energie. Aby nedošlo k tomu, že ze zdánlivě neznámých příčin dojde k problémům třeba v podobě poruch či výpadků.

Nechávají si firmy zkonzultovat či spočítat parametry soustavy a zajímá je, jak se síť může chovat?
Ne. Všechno se řeší ex post. Projektanti jsou v tomto směru podle našich zkušeností o několik generací pozadu, normy pro dimenzování vodičů s nějakými harmonickými složkami vůbec nepočítají, nebo je považují za zanedbatelné. Každé zařízení má podle evropské normy EMC, EMG kompatibilitu, je certifikované, ale jen samo o sobě. A jakmile se jich propojí hodně, je dobré se zajímat o to, co to bude dělat.
Teď k tomu navíc přijdou chytré budovy, chytré továrny a také internet věcí, na který se navěsí vše možné, což je paradoxně závislé na tom, aby elektrická síť byla stabilní, a tím byl stabilní a bezproblémový daný systém. Málokdo se ale stará o to, zda síť je skutečně stabilní a jak to zajistit. Ti, kdo pro nás vymýšlejí ty úžasné budoucí světy, berou jako samozřejmost, že energie teče z elektrárny bez vady na kráse, a ty stroje a zařízení, které pohání, s ní vůbec nic neudělají. Většina designérů automatizace nejsou elektrikáři, umějí jen vymýšlet procesy. S příchodem internetu věcí a spotřebičů, které se budou snažit samy optimalizovat se z hlediska spotřeby situace zřejmě ještě zkomplikuje.
Na tyto záležitosti by se při projektování výrobních podniků, digitálních továren apod., mělo myslet už od počátku a než se nějaký takový systém spustí. Je rozumné si udělat audit a zjistit, jak se budou propojená zařízení chovat, aby bylo jasné, jak bude továrna či linka stabilní. A protože se současné továrny průběžně mění, je dobré tam mít trvalý monitorovací systém, který bude informovat o stavu systému.
Pokud dojde k nějakému problému, dá se zjistit, co se v kritické době odehrávalo na elektrické síti a pak lze řešit další možné zdroje poruchy. Řeší se ale vše možné, a i když se vše přeinstaluje, tak problémy přetrvávají, protože závada tkví v konstelaci strojů vůči síti.

Jenže přesně vše určit zjevně nebude jednoduché...
Zda strojům v konkrétní továrně bude vadit kolísání o 3 nebo 5 V, zatímco v jiné továrně v obdobné konfiguraci nebude třeba tomu samému stroji vadit ani kolísání o 10 V, závisí na konkrétní konstelaci, a na to se žádná norma udělat nedá… Musí to prostě někdo monitorovat a dávat si věci do souvislostí. Pokud se opakuje, že např. dochází k pravidelnému výpadku PLC, zasekne se linka a v dané chvíli se na síti něco dělo, je zjevné, že danému stroji vadí určitý sled událostí, zatímco jiné žádné problémy neměly. Bude tedy nutné instalovat např. stabilizátor nebo najít jiné řešení, které pro onen konkrétní stroj zajistí odpovídající provozní podmínky. Technologie, které nápravu umožňují, k dispozici jsou. Jen uživatelé zpravidla nevědí, že něco takového vůbec existuje, a že by už při koncipování např. výrobní linky měli s těmito věcmi počítat. Jsou samozřejmě i některé špičkové projekční kanceláře, které tyto věci a procesy berou do úvahy a doporučují odpovídající způsoby rozvodu nízkého napětí v průmyslové výrobě. To ale samozřejmě stojí peníze - i když na druhé straně to dost peněz může ušetřit.
Umíme pojmenovat a říci do jaké míry je na síti v podniku situace dobrá nebo špatná z hlediska vlivu elektrické sítě na připojené stroje a vliv strojů na síť, která je napájí. Jde o to pojmenovat a kvantifikovat, co to znamená ekonomicky na straně spotřeby a provozu – náklady na údržbu, ztráty způsobené výpadky zařízení a její opravy, která by se nemusela vůbec porouchat, kdyby elektřina byla v pořádku. Snažíme se analyzovat situaci a poradit, aby vliv strojů na síť byl minimální a zařízení pracovala v optimálních podmínkách, měla minimální spotřebu a maximální životnost.
Elektřina je zboží jako každé jiné a měla by se tedy hlídat i její kvalita. Zatímco ve výrobě fungují oddělení kvality, která se starají o jakost vstupů, laboratoře bdí nad přesnými parametry, ale málokoho napadne si kontrolovat kvalitu elektřiny, která napájí stroje, na nichž vše závisí.

Tedy hlavní problémy se týkají strojního vybavení?
Nemusí jít jen o stroje, řadu problémů může udělat i nevhodně neprojektované či nakonfigurované osvětlení. Tam, kde byly dříve klasické žárovky, poté zářivky, se dnes dávají rovnou nejmodernější LEDky. Jenže LED žárovky produkují také třetí harmonickou, která na síti dělá problémy, podobně jako všechny zářivky, osazené elektronikou. Původní zářivky, které mají jen startér a tlumivku, má už dnes málokdo a nové světelné zdroje mají jednocestný usměrňovač, který právě cpe do sítě třetí harmonickou. A protože jsou to jednofázové spotřebiče, všechno se na síti kumuluje a sčítá na středním vodiči, tím pak protékají značné proudy a z toho vznikají oxidace a síť se poškozuje.
Jako modelový příklad lze uvést třeba obchodní středisko, kde nepochopitelně nárazově zhasínaly různé sekce. Při měření se ukázalo, že kromě výbojek zahrnuje osvětlovací systém i velké množství LED svítidel. Propočet jističů a rozvaděčů podle štítkových hodnot ukazoval, že teoreticky by mělo vše fungovat, v praxi ale nikoli. Tvůrci toho systému zjevně podcenili - pokud si to vůbec uvědomili - že každá LED má ještě odběr na 3. a 5. harmonické, což znamená, že proud protékající jističem s tepelnou ochranou, ho ohřeje více, protože tam nepřichází jen 5 A, ale i další 3 A třetí harmonické, takže jističe po zahřátí nad limit zákonitě vypadávaly.
Nová technologie je „cool”, všichni o ní mluví, ale má i své háčky. Speciálně LED zdroje, které sice mají menší odběr, ale zanášejí do sítě mnohonásobně víc problémů. V podstatě nikdo neví, jak se bude sestava na síti chovat.
Navíc se ukazuje, že tak velká úspora, jak si slibovali úředníci, kteří prosadili nařízení zavést masově elektronické úsporné žárovky, to není, protože u LED žárovek, aspoň u těch, které jsou dnes běžné, a to včetně těch nejlepších, doba životnosti při stálé svítivosti klesá.
Tento problém je řešen tím, že v čipu je detektor, který snímá intenzitu osvětlení a protože čip ztrácí svítivost, reguluje velikost proudu. „Úsporná" žárovka tak po roce, dvou zestárne a odebírá více, než na začátku. Takže za pár let starostové zjistí, že neušetřili tolik, jako před čtyřmi lety, jenže amortizaci počítali na konstantní počáteční parametry. To je ale problém, který nesouvisí s kvalitou sítě. Je to konstrukční, byť ne všeobecně známá záležitost, v charakteristikách sice uváděná, jenže se o ni moc nemluví.
Možná to zní kacířsky, ale podnik může klidně vyjít levněji, když ponechá klasické žárovky, a svítí jen tam, kde je potřeba. Ušetří více než s investicí do dražších LED, které budou za čtyři roky spotřebovávat více než původní osvětlení.  Ale hlavně si tím firma přivede třetí harmonickou, se kterou bude bojovat v celé síti továrny. To jsou věci implicitně zabudované v těch technologiích, o kterých lidé v továrnách většinou nemají vůbec tušení.

Na co si mají tedy dát hlavně pozor, na jaké oblasti se zaměřit?
Největší potenciální zdroj rušení na síti jsou řízené pohony. Těch jsou továrny plné. Regulátory otáček, pokud jsou dobré a správně instalovány odvádějí dobrou práci, a nic závažného se neděje. Bohužel v dnešních firmách vládne nákup, a když se pořizuje řízený pohon, zvítězí obvykle nejlevnější základní provedení bez jakýchkoli filtrů a s minimální velikostí stabilizačního kondenzátoru. Dříve byl motor připojený přímo na síť a když se rozbíhal, stačilo něco přepnout. Dnes je před motorem v 99 % nějaká výkonová elektronika, měnič nebo regulátor, který pro motor vytváří speciální síť, ale do energetické 50Hz sítě posílá zbytkové rušení, ve větší či menší míře podle toho, jak je starý a jak je konstruovaný.
Druhou skupinu největších spotřebičů energie představují vzduchotechnika, chlazení klimatizace a dnes také osazené pohony, např. pro kompresory - třetí hlavní kritické místo zaujímá technologický tlakový vzduch. Osvětlení je až někde na pátém místě, protože nemá tak velký odběr. Záleží také na tom, o jak velký závod jde a co se v něm vyrábí.
Specifickou záležitostí jsou ale svářecí stroje, u nás hojné třeba v menších továrnách, které dělají subdodávky pro automobilky. Bodové svářečky se sítí „cvičí“ snad nejvíce. Tam je kolísání napětí, které se v mnoha případech dostává až na primární energetickou síť a když se setká více svářeček souběžně, pokles napětí může být až takový, že ho některá PLC vnímají jako reset. Jde o krátký okamžik, který je vlastně podle energetické normy v souhrnném časovém úseku teoreticky v pořádku – jevy na úrovni stovky milisekund norma neřeší a nepostihuje. Energetický dozor řeší jen případy, které přesahují významnou míru. Pokud takovéto rychlé poklesy napětí přicházejí z nadřazené sítě, kde je např. svařovna, jiné továrně, která má na síti automatizaci, nebo oddělení, kde potřebují stabilní podmínky pro laboratorní prostředí, může síť padat, což pro ně znamená problém, pokud ne přímo katastrofu. Výpadek parametrů třeba při výrobě křemíkových součástek nebo taženého skla může odsoudit celou várku do odpadu.

Slyší firmy na to, že by se jim nabízel elektrický audit, s tím, že jim to nějaké peníze může ušetřit?
Ano, a naštěstí čím dál více.

I když z něj vyplyne, že některá zařízení by bylo potřeba vyměnit, investovat do nových?
To je samozřejmě výsledek auditu a proto se také provádí. Během několika let, po které tyto audity provádíme, se podařilo sesbírat spoustu zkušeností. Dokážeme jim pomoci zjistit, kde mohou být rezervy a optimalizovat výrobní cyklus. Když je optimalizován, přichází na řadu snaha eliminovat parazitní věci, které jsou v naměřeném výkonu skryty, a neví se o nich. A tam jsou skryté možnosti i dost značných úspor nejen tím, že ušetříme kilowaty, ale optimalizuje se síť a odstraní se dřívější nečekané výpadky a odstávky. Výroba pak poběží plynuleji a rychleji. A to vše díky hlídání kvality energie.
Pomáhá nám i speciální software, který umožňuje simulací z naměřených výsledků prezentovat „co se stane, když…“, tedy jak bude síť vypadat po nainstalování příslušných opatření, a případně kolik procent energie se ušetří kromě toho, že se vyřeší problém stability, negativních vlivů harmonických, vlivů výpadků atd.

Jsou motivací spíše úspory nebo hrozba, že může dojít k problémům ve výrobě?
To je různé. Prvoplánově jsou samozřejmě hlavním lákadlem úspory - čím větší procento, tím lépe. I když v této oblasti rozhodně nejde o desítky procent, které jsou pro ně hlavní vizí rychlé návratnosti.
Výpadky, které by měly představovat mnohem citelnější újmu, zajímají jen část firem, zatímco další nechávají v klidu. Zatímco u velkých strojírenských firem je to běh na dlouhou trať. K těm, které si nechávají poradit, patří hodně třeba již zmíněné svařovny, které tento problém skutečně trápí a v podstatě i ohrožuje, protože pokud by rušení přesáhlo míru, hrozí jim, že je distributor může odpojit. Nebo je neodpojí, ale pokud budou žádat zvýšení příkonu, tak ho nedostanou do doby, než dají věci do pořádku. A když překročí, dostanou pokutu za nadlimitní odběr, která činí několikanásobek standardní tarifní sazby, což už je samozřejmě silná motivace pro zlepšení.
 

 
Publikováno: 14. 3. 2016 | Počet zobrazení: 1295 článek mě zaujal 194
Zaujal Vás tento článek?
Ano