Güç Kaynağı Planlaması
Otomobil üretim fabrikaları için belirli teknik avantajlara sahip teknik çözümler aracılığıyla. güç besleme sistemleri planlandığında, her bir sorunla çeşitli şekillerde karşılaşılabilir.
Bu, hem ilgili endüstriyel teknolojiye ilişkin kapsamlı bir bilginin hem de söz konusu ekipman ve sistemler hakkında kapsamlı bir bilgi birikiminin gerekli olduğu anlamına gelir.
Bu bilgi birikimi, bir otomobil üretim tesisi için prosesle ilgili güç kaynağı planlaması temelinde detaylandırılacaktır.
Bir güç kaynağı sisteminin planlanması sırasında, güç sistemi tasarımı, derecelendirmeleri ve çalışma modu ile ilgili kararlar alınmalıdır. Bu kararlar, pres atölyesi, kaporta atölyesi, boyahane ve nihai araba montajının özel süreç gereksinimlerine odaklanmalıdır.
Burada bir otomobil üretim tesisinin güç kaynağına ilişkin gereksinimlerin optimum şekilde karşılanması için ağ ve tesis mühendisliği çözümleri gösterilecektir.
İçindekiler:
1| Proses Tarafından Belirlenen Güç Kaynağı Sistemi Gereksinimleri
Bir otomotiv üretim fabrikasındaki proses akışı, elektrik güç sisteminin gereksinimlerini belirler.
Aşağıdaki gereksinimler karşılanmalıdır:
Proses odaklı güç talebini karşılanması
(n-1) ilkesine hakim olarak yüksek derecede tedarik güvenliği sağlanması
DIN EN 50160:2000-03 (besleme geriliminin özellikleri) ve DIN EN 61000-2-4 (VDE 0839 Bölüm 2-4):2003-05 (EMC seviyesi) uyarınca yüksek güç kalitesinin sağlanması
Normal çalışma koşullarında olduğu kadar arıza koşullarında da insan ve makineler için yüksek derecede güvenlik sağlanması
Değişen üretim süreçlerine yüksek uyumluluk olması
Düşük bakım giderleri ve düşük güç kayıpları nedeniyle işletme maliyetlerinin düşürülmesi
Hem basit çalışabilirlik hem de operatör dostu sistemler olması
Otomotiv üretim tesislerinde, Şekil 1'de gösterilen bir şebeke konfigürasyonu, bu gereksinimlerin teknik ve ekonomik açıdan verimli bir şekilde uygulanması açısından değerini kanıtlamıştır.
2| Optimum Güç Sistemi ve Fabrika Konfigürasyonu
Bir otomobil üretim fabrikasındaki üretim holleri için güç kaynağı, orta gerilim yük merkezi sistemleri aracılığıyla dağıtılır.
Her OG yük merkezi sistemi, yüksek akım baralarından ve bara ana hat sistemlerinden oluşan bir alçak gerilim sistemiyle birlikte çalıştırılır (Şekil 2 ve 3). Bu yüksek akımlı baralar ve busbar ana hat sistemleri, tüketicileri beslemek için kullanılan tipik hat şebekesinin ve ana ve tali dağıtımlarının yerini alır.
DIN EN 61330'a göre test edilen PEHLA testli trafo yük merkezi trafo merkezi (TS istasyonu), dağıtılmış güç kaynağında ekonomik ve güvenli bir unsur olarak kendini kanıtlamıştır.
Protection for the TS stations, which are equipped with cast-resin transformers, is provided by a load switch-fuse combination which is rated and selected according to the criteria given in IEC 62271-105:2002-08 or DIN EN 60420 (VDE Part 303):1994-09.
Dökme reçineli trafolarla donatılmış TS istasyonları için koruma, IEC 62271-105:2002-08 veya DIN EN 60420 (VDE Part 303): 1994-09'de verilen kriterlere göre derecelendirilen ve seçilen bir yük anahtarı-sigorta kombinasyonu ile sağlanır.
Yüksek voltajlı yüksek kırılma kapasiteli sigortaların (YG HRC sigortaları) seçimi için ilgili standart DIN VDE 0670-402 (VDE 0670 Part 402):1998-05'tir.
3| Çalışma Modu – Orta Gerilim (OG)
Güç mühendisliği açısından en uygun çalışma modu orta gerilimdir. OG güç sisteminin çalışma modu, nötr nokta bağlantısının türüne göre belirlenir.
OG sistemlerinde DIN VDE 0101 (VDE 0101):2000-01'e göre en önemli nötr nokta bağlantı türleri şunlardır:
İzole edilmiş nötr
Topraklama hatası telafisi veya rezonant nötr topraklama (RESPE)
Düşük dirençli nötr topraklama (NOSPE))
Otomotiv endüstrisindeki OG kablo ağlarında nötr noktanın rezonans topraklamasının düşük dirençli nötr topraklaması ile değiştirilmesine yönelik genel bir eğilim vardır.
Aşağıdaki avantajlar bu trend için belirleyicidir:
(n-1)-yedekli ağ tasarımı, 1 kutuplu arızaların seçici bağlantısının kesilmesine izin verir
Güç kaynağı kesilmeden arıza yerinin koruyucu olarak ayrılması gerçekleştirilir
Açıkça tanımlanmış koruyucu açmalar ve anahtarlama durumundaki değişiklikler, entegre güç otomasyonunu etkinleştirir
Düşük dirençli topraklanmış nötr çalışma (direnç), yüksek geçici uzun süreli çalışma aşırı gerilimlerini önler
Arızanın büyümesi ve çift toprak arıza tehlikesi ortadan kalkar
Kısa açma süreleri, arıza yerindeki toprak arızalarının takip eden hasarlarını sınırlar
Volkswagen AG, Adam Opel AG ve DaimlerChrysler AG fabrikalarında kullanılan NOSPE ağları ile elde edilen işletme deneyimi, düşük dirençli nötr topraklamanın avantajlarını doğrulamaktadır.
BMW AG, Leipzig'deki yeni tesislerine kurulacak 20 kV güç sisteminin düşük dirençli nötr topraklaması lehine karar veren bir başka otomotiv üreticisidir.
4| Çalışma Modu – Alçak Gerilim (AG)
AG sistemleri olarak çalışmaya uygun sistem tipleri, IEC 60364-1:2001-08 veya DIN VDE 0100-300 (VDE 0100 Part 300):1996-01'de tanımlanmıştır.
Sistem güç kaynağının toprağa bağlantı türü ve elektrik tüketici sistemindeki iletken kısımların toprağa bağlantı türü söz konusu olduğunda, IT, TT ve TN sistemleri arasında ayrım yapılabilir.
TN sistemi, otomotiv üretim tesislerine güç sağlamak için tercih edilen sistem türüdür. Beslemelerdeki (yüksek akım barası) dağıtılmış trafolar için, VDE'ye uygun bir AG sistemi yalnızca ortak bir nötr ve koruyucu iletkene (PEN iletkeni) sahip bir TN-C sistemi olarak tasarlanabilir.
Yalnızca daha düşük bir seviyede, ayrı bir nötr iletken (N iletken) ve koruyucu topraklama iletkeni (PE iletken) ile bir TN-S sistemi kurulabilir.
Sonuç olarak, otomotiv endüstrisi için AG sistemleri şimdiye kadar yalnızca TN-C-S sistemleri olarak tasarlanmıştır.
Modern bir otomotiv üretim tesisinde de, iletişim ve bilgi teknolojisi sistemlerinin elektromanyetik girişiminin üretim süreci üzerindeki herhangi bir olumsuz etkisini önlemek için elektromanyetik uyumluluğa (EMC) daha yüksek gereksinimler getirilir.
Sürekli olarak enerjisi kesilen bir PE iletkenine sahip, EMC'ye uygun bir AG sistemi, TN-S sistemi olarak tasarlanmalıdır. Çok beslemeli AG sistemlerinde, bir TN-S sistemi yalnızca PEN iletkenleri veya ayrı besleme devreleri merkezi bir noktada topraklanabiliyorsa uygulanabilir.
Şu anda, Şekil 3'te temsil edilen tasarım biçimi ulusal veya uluslararası standartlar tarafından desteklenmemektedir. Geçerli bir standart kabul edilene kadar, şalt tesisatçısı veya fabrika operatörünün sorumluluğundadır.
Şimdiye kadar sadece Adam Opel AG, TN-S sistemi olarak çoklu beslemeli bir AG sistemi işletmiştir.
5| Alt Sistemlerin Tasarımının Sürece Bağlı Özellikleri
5.1 Preshane
Pres atölyesinde (preshane), metal sacları gövde parçalarına dönüştürmek için çok sayıda motorlu pres tahriki kuruludur. Bu sürücülerin bireysel güç çıkışı, baskı atölyesinin toplam güç talebiyle karşılaştırıldığında nispeten yüksektir ve güç sistemine dalgalanma tipi, aralıklı bir yük bindirir.
Diğer bir sistem bozulmasına, v'inci dereceden harmonikler ürettikleri için pres sürücülerinin tristör denetleyicileri neden olur.
Şebekenin kısa devre gücü nedeniyle, dalgalanma tipi yüklerden kaynaklanan voltaj değişiklikleri, tüketicilerin çalışma güvenliğini tehlikeye atmayacak ve insan gözü üzerindeki optik stresi azaltacak ve aydınlatma sistemindeki akım dalgalanmaları makul sınırlar içinde kalacak şekilde sınırlandırılmalıdır.
Bu güç kalitesi gereksiniminin nasıl karşılanacağına ilişkin bir örnek Şekil 4'te gösterilmektedir.
Pres atölyesindeki AG sistemi için başka bir gereklilik, DIN EN 61000-2-4 (VDE Bölüm 2-4):2003-05'te tanımlanan harmonik içerikler için izin verilen uyumluluk seviyelerinin gözetilmesidir.
Bu seviyeleri korumak için şalt trafo merkezlerinin kompanzasyon sistemi normalde indüktör tipi olmalıdır.
Optimum boğulma derecesi p, çoğunlukla mevcut olan v'inci sıradaki harmonik içeriklerine (3 fazlı köprü devreleri için v = 5, 7, 11, 13, 17, 19, 23 ve 25) bağlıdır.
Uygulamada, optimum boğulma derecesi p = %6 ile p = %7 arasında olan indüktör-kondansatör birimleri kullanılır.
5.2 Kaportahane
Kaporta atölyesinin (kaportahane) 400 V sistemindeki kaynakçıların bağlantısı, L1-L2, L1-L3, L2-L3 faz iletkenlerine simetrik bir dağılımla gruplar halinde gerçekleştirilir (Şekil 5).
Devreye bağlı vücut kısımlarını kaynaklamak için kullanılan makineler fasılalı çalışma modları nedeniyle sürekli bir yük oluşturmazlar.
Bu nedenle, kaynak devresindeki ekipman, termal eşdeğer akımına göre derecelendirilmelidir.
Termal eşdeğer akım, yanlışlıkla üst üste binen kaynak darbelerinin bir dizisi olarak hesaplanmalıdır. Hesaplama, iki terimli olarak dağıtılan kaynak akımlarına dayanan bir olasılık hesaplaması olan kare ortalamanın oluşturulmasıyla termal eşdeğer akım yöntemi aracılığıyla gerçekleştirilir.
Bununla birlikte, kaynak şebekesini derecelendirmek için termal eşdeğer akım çok az öneme sahiptir. Daha da önemlisi, yanlışlıkla üst üste binen kaynak darbelerinin neden olduğu gerilim düşüşleridir. Bu voltaj düşüşlerinin olasılık hesaplaması yine binom dağılımına dayanmaktadır.
Bernoulli formülünü uygulamak için, farklı kaynak makinesi türleri, aynı tepe kaynak akımı Iw, aynı güç faktörü cosϕ ve aynı göreli ON periyodu OP ile tek bir üniform eşdeğer kaynak makinesinde birleştirilir.
Bu olasılık tepe yükü hesaplaması, tamirhanedeki güç kaynağı kalitesini değerlendirmek için gerekli göstergeyi sağlar.
Kaporta parçalarının kaliteye duyarlı kaynağı için hayati olan, istatistiksel ortalamada ∆u' = %10 sınırını aşmayan gerilim düşüşlerinin varlığıdır. Diğer bir kalite göstergesi, gerilime bağlı hatalı kaynaklar için ıskarta oranıdır λ(∆u'perm. > %10). Bu ıskarta oranı için izin verilen sınır değeri λperm = 1‰'dir.
Kaportahanede, telafi normalde tıkanmadan yapılabilir. Bobinsiz kompanzasyon yöntemi için, harmonik içerikler için izin verilen uyumluluk seviyesinin gözetilmesi, otomotiv endüstrisindeki çeşitli 400 V besleme şebekelerinde yapılan ölçümlerle doğrulanmıştır
Güç mühendisliği açısından uygun bir çözüm, anma gerilimi 480 V ≤ Um ≤ 525 V olan kapasitörlerin kullanılması olduğunu kanıtlamaktadır.
5.3 Boyahane
Boyahane prosesleri, tüketicilerin yüksek yük yoğunlukları ve uzun ON süreleri ile karakterize edilir. Özellikle tipik olan, elektro-daldırma kaplama veya kataforetik boyama işlemi için redresörlerin güç kalitesi üzerinde neden olduğu olumsuz etkidir.
AG sistemini harmonik etkiden kurtarmak için, bu doğrultucular tercihen ayrı trafolar aracılığıyla doğrudan OG sisteminden beslenir.
Harmonik içerikler için izin verilen uyumluluk seviyelerine uyulması kadar önemli olan, boyama işleminin kendisi tarafından belirlenen tedarik güvenliği gerekliliklerinin tam olarak yerine getirilmesidir.
Bu, arıza yerinin beslemeden koruyucu bir şekilde ayrılmasıyla tek arızanın kesintisiz olarak ele alınmasını içerir.
TS istasyonundaki dökme reçineli trafolar, bu tür tekil arızaların üstesinden gelmek için anlık bekleme veya "sıcak" fazlalığı sağlar. Ek olarak, hassas ve arıza kritik tüketiciler için bir yedek tedarik sağlanır.
5.4 Nihai Araç Montajı
Nihai araç grubundaki tüketicilerin bağlı gücü, besleme trafolarının nominal gücüne kıyasla nispeten düşüktür. Bu nedenle, şebekedeki tüm tüketicilerin maksimum güç talebi, sistem derecelendirmesi için önemlidir.
Güç talebi büyük ölçüde eşzamanlılık faktörü g, kullanım derecesi a, güç faktörü cos ϕ ve verimlilik η tarafından etkilenir.
Nihai montaj bölümünde, lineer olmayan tüketicilerin büyük bir kısmı, faz iletkeni (L1vL2vL3) ile nötr iletken (N) arasında tek faz bağlantılıdır. Bu bağlantı türünde, 3'e bölünebilen v mertebesindeki tüm akım harmonikleri nötr iletken N'de toplanır.
v = 3 olan akım harmoniği özellikle ayırt edicidir.
Akım harmoniklerinden kaynaklanan termik aşırı yüklemeyi önlemek için, TN-C-S sisteminin (Şekil 2) veya TN-S sisteminin faz iletkenleri (L1, L2, L3), nötr iletkeni (N) ve PEN iletkeni aynı kesitte tasarlanmıştır.
6| Özet
Bara ana hat sistemlerinden oluşan bir TN sistemi ile birlikte yük merkezi ağı, bir otomotiv üretim fabrikasındaki üretim hollerinin güç beslemesi için ideal şebeke konfigürasyonudur.
Düşük dirençli nötr nokta topraklaması, OG sistem çalışması için en avantajlıdır. Sürekli olarak enerjisi kesilen koruyucu iletkene (PE) sahip, EMC'ye uygun bir AG şebekesi, TN-S şebekesi olarak tasarlanmalıdır.
Şu anda, çoklu beslemeli bir AG sisteminin TN-S sistemi olarak tasarımı için bağlayıcı bir standart yoktur.
Tedarik şebekelerinin tasarımı ve işletilmesi için yalnızca oybirliğiyle optimum bir çözüm vardır. Üretim hollerinde ele alınan prosesler için besleme şebekelerinin derecelendirmesi, besleme trafolarının sayısı ve boyutu ve kompanzasyon yöntemi gibi mühendislik farklılıklarına neden olur.
Referans Kaynak: Totally integrated power by Siemens