V polovině letošního června zahájilo provoz Regionální inovační centrum elektrotechniky (RICE) při Západočeské univerzitě v Plzni. Ambiciózní projekt, který vznikal celou jednu dekádu, dnes představuje komplex laboratoří a zkušeben vybavených těmi nejmodernějšími myslitelnými technologiemi. Na jejich dodávce se podílela i společnost Siemens Česká republika, která dodala specifické řešení pro variabilní testování elektrických pohonů. Toto modifikované řešení modulárních frekvenčních měničů Sinamics S120 Cabinet Modules umožňuje v reálných podmínkách simulovat trolejové napětí a testovat trakční pohony vlaků, pohony pro hybridní autobusy, metro nebo třeba baterie.
Projekt Regionálního inovačního centra elektrotechniky je unikátní nejen pro své supermoderní technologické vybavení, jež v Česku momentálně nemá obdoby, ale i z hlediska architektury a moderní technologie budov. Jedním z generálních dodavatelů je společnost ENGIE (dříve COFELY) a.s., která také zajišťovala dodávku a instalaci mimořádně náročného technického vybavení objektů.
„Naše laboratoře jsou vybaveny špičkovými přístroji a unikátními technologiemi. Například v největší laboratoři, což je halová zkušebna vysokonapěťové výkonové elektroniky a dopravní techniky, je možné testovat dopravní prostředky a zařízení až do 31 kV a 4 MW. Naše týmy mají k dispozici náročné a nákladné vybavení, například laboratoře výkonové elektroniky a inteligentních pohonů, speciální mikroskopické laboratoře, čisté prostory, laboratoře pro rentgenovou diagnostiku či mikroelektronické laboratoře, které nám umožní pracovat i na náročných projektech pro kosmický výzkum," popisuje vědecký ředitel centra prof. Zdeněk Peroutka.
Regionální inovační centrum elektrotechniky (RICE).
Jedním z klíčových zařízení halové laboratoře a zkušebny vysokonapěťové výkonové elektroniky a dopravní techniky je sestava frekvenčního měniče pro napěťovou hladinu 690 V sestávající z aktivního usměrňovače 3 MW a čtyř napěťových střídačů s výkonem nad 1 MW, které jsou na bázi sériově vyráběného frekvenčního měniče od společnosti Siemens Sinamics S120 Cabinet Modules.
Druhým zařízením, které Siemens do halové laboratoře dodal, je prototypový aktivní filtr Statcom 735 kVAr, který je součástí systému distribuované kompenzace jalového výkonu zkušebny. Jedná se o prototypové zařízení společnosti Siemens, které je zde použito v první instalaci na světě.
Měnič jako pohon i zdroj napětí
Zkušební hala je rozdělena na podzemní a nadzemní část. V podzemí jsou umístěna stání s motory – ať již s testovanými nebo s motory pro pohony vytvářejícími zátěž. Nadzemní část je volný prostor členěný pouze na čtyři kóje, v nichž jsou umístěna zkušební stanoviště pro testování různých zařízení.
Pro tento účel jsou na každém stanovišti umístěny připojovací skříně, do kterých jsou vyvedeny všechny vývody s požadovanými hodnotami úrovně napětí a proudového dimenzování i s proměnnou frekvencí.
Všechny tyto rozdílné funkce spolehlivě zajišťuje měnič Siemens Sinamics S120, jenž umí dle požadavků fungovat jako motorový pohon i zdroj napětí – v závislosti na tom, zda na něm probíhají zátěžové zkoušky motorů nebo se testuje jiný měnič či zařízení. Každá z těchto oblastí má pak ještě řadu dalších módů, přičemž konkrétní požadavky se nastavují pomocí řídicího a ovládacího softwaru.
V obou funkcích může měnič fungovat se sinusovým filtrem nebo bez něj, což je však pro napájecí vývod s tímto měničem naprosto klíčová okolnost. S použitím výstupního sinusového filtru se filtruje výstupní modulovaný průběh napětí střídače, a tím vzniká harmonický sinusový průběh výstupního napětí, vždy s dosažitelným minimálním zkreslením. Pro napájení vysokonapěťových zkušebních vývodů s proměnnou frekvencí se k měniči připojuje přes sinusový filtr zvyšující transformátor.
Sestava měničů měří dohromady téměř 15 metrů a je do ní zakomponován jeden usměrňovač a čtyři třífázové střídače.
Měnič jako puzzle
Společnost ENGIE, která technologické vybavení do zkušebny dodávala, se v případě nejdůležitější komponenty rozhodla pro výrobek Siemens. „Jako klíčovou komponentu systému jsme určili měnič Sinamics S120, a s ním pak ladili související zařízení od jiných výrobců," vysvětluje Radek Ticháček, manažer speciálních projektů společnosti ENGIE.
Sestava měničů měří dohromady téměř 15 metrů a je do ní zakomponován jeden usměrňovač a čtyři třífázové střídače. Ze zařízení připojených k měniči je nejzajímavější samostatný jednofázový střídač připojený ke stejnosměrnému meziobvodu měniče, který umožní zkoušky pro trakční zařízení a aplikace napájené ze střídavé troleje.
„Velkou výhodou měniče Sinamics S120 je jeho prověřenost v praxi. Díky tomu, že je již léta nasazován v nejrůznějších průmyslových aplikacích, má velmi široké pole působnosti a jeho firmware je opravdu propracovaný do nejmenších detailů. Zároveň je ale otevřený pro úpravy, takže řadu nestandardních situací je díky tomu možné softwarovými úpravami vyladit, což je pro požadované aplikace v RICE nezbytné.”
Radek Ticháček, manažer speciálních projektů společnosti ENGIE
Všechny moduly jsou vysokovýkonové s garantovaným výkonem 2,5 až 3,5 MW. Toho již nelze dosáhnout jediným výkonovým blokem. Proto jsou do sestavy zapojeny tři paralelně. „Celé zařízení je takto postaveno kvůli extrémním stavům a provozním podmínkám, které jsou v laboratoři požadovány, v průmyslu se jich však dosahuje velice sporadicky," doplňuje Jan Podrapský, technický specialista ze společnosti Siemens.
V praxi bývá měnič nejčastěji připojen k motoru, který reguluje otáčky, moment konkrétního zařízení – pohonu (např. čerpadlo, kompresor, výtah, centrifuga) v pásmu určeném provozními mezemi. „Zde ve zkušebně musíme vygenerovat plný výkon při nulových otáčkách motoru – např. při simulaci tramvaje, která zastaví v kopci a brzdí jen elektromotorem – až po skutečně vysokorychlostní pohony odpovídající výstupní frekvenci střídače okolo 200-250 Hz. Měnič je zde určen pro provoz až do 300 Hz, běžně se přitom využívá v pásmu 50-60 Hz," vysvětluje dále Jan Podrapský.
Jedná se tedy o specifické využití měniče, který se běžně využívá pro standardní průmyslové aplikace. V laboratořích RICE však při testech supluje reálné prostředí v extrémních podmínkách.
Úspěch zajistil propracovaný firmware
„Velkou výhodou měniče Sinamics S120 je jeho prověřenost v praxi. Díky tomu, že je již léta nasazován v nejrůznějších průmyslových aplikacích, má velmi široké pole působnosti a jeho firmware je opravdu propracovaný do nejmenších detailů. Zároveň je ale otevřený pro úpravy, takže řadu nestandardních situací je díky tomu možné softwarovými úpravami vyladit, což je pro požadované aplikace nezbytné," oceňuje Radek Ticháček.
V prostředí zkušební haly je rozvedeno přes 30 kilometrů silnoproudých kabelů v prostoru velkém 30 x 30 metrů. Jen z jednoho střídače jde 18 kabelů o průřezu 300 mm2 k sinusovému filtru a pak dále k trafu. To jsou všechno okolnosti, které jsou jednak velmi náročné na samotnou konstrukci, ale hlavně ovlivňují chování daných zařízení.
Velmi citlivý na rušení elektromagnetickým polem je např. řídicí systém celé zkušebny, a proto musí splňovat nejpřísnější požadavky na odolnost vůči elektromagnetickému rušení, aby se předešlo poruchovým stavům.
„Vybavit zkušebnu vhodnou technologií byl skutečný oříšek, proto jsem rád, že jsme společně se zástupci společnosti Siemens dokázali najít řešení, jak celý složitý systém navrhnout a zprovoznit. Neustále jsme totiž naráželi na limity všech dodaných zařízení, která se dostávají do tak specifických konfigurací, že nikdo nedokázal předem zcela garantovat, jak se budou chovat," přibližuje složité okolnosti realizace projektu Radek Ticháček. Díky spolupráci všech zúčastněných stran se však projekt podařilo dovést ke zdárnému konci.
„Fakulta elektrotechnická ZČU resp. její výzkumné centrum RICE dlouhodobě spolupracuje se společností Siemens zejména v oblasti elektrických pohonů a v oblasti energetiky. Věřím, že naše úspěšná spolupráce bude intenzivně pokračovat i v budoucnu," uzavírá vědecký ředitel centra, profesor Zdeněk Peroutka.
