Wpływ urządzeń na sieć zasilającą

Wpływ urządzeń na sieć
zasilającą
Wpisany przez Administrator
Czwartek, 01 Październik 2009 12:09
14.4 Oddziaływanie układów energoelektronicznych na sieć zasilającą
4.1
Wymagania
norm
i
przepisów
- Ustawa z dnia 10 kwietnia 1997 r. Prawo energetyczne [Dz.U. Nr 89 z w2006 r., poz. 625].
- Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 4 maja 2007 r. w sprawie szczegółowych warunków
funkcjonowania
systemu
elektroenergetycznego
[Dz.U.
Nr
93
z
2007
r.,poz.
623]
- PN-EN 61000-2-4:2003 Kompatybilność elektromagnetyczna (EMC) -- Część 2-4: Środowisko
- Poziomy kompatybilności dotyczące zaburzeń przewodzonych małej częstotliwości w sieciach
zakładów
przemysłowych
- PN-EN 61000-3-2:2007 Kompatybilność elektromagnetyczna (EMC) -- Część 3-2: Poziomy dopuszczalne
- Poziomy dopuszczalne emisji harmonicznych prądu (fazowy prąd zasilający odbiornika < lub = 16 A)
- PN-EN 61000-3-2:2007/A1:2010 Kompatybilność elektromagnetyczna (EMC) -- Część 3-2: Poziomy
dopuszczalne -- Poziomy dopuszczalne emisji harmonicznych prądu (fazowy prąd zasilający odbiornika
<
lub
=
16
A)
- PN-EN 61800-1:2000 r. Elektryczne układy napędowe mocy o regulowanej prędkości. Wymagania ogólne.
Dane znamionowe niskonapięciowych układów napędowych mocy prądu stałego o regulowanej prędkości.
- PN-EN 61800-2:2000 r.: Elektryczne układy napędowe mocy o regulowanej prędkości. Wymagania ogólne.
Dane znamionowe niskonapięciowych układów napędowych mocy prądu przemiennego o regulowanej
częstotliwości.
- PN-EN 61800-3:2008 Elektryczne układy napędowe mocy o regulowanej prędkości -- Część 3: Wymagania
dotyczące EMC i specjalne metody badań
4.2 Negatywne oddziaływanie przekształtników energoelektronicznych na sieć zasilającą
4.2.1 Wprowadzenie
Przekształtniki energoelektroniczne pobierają energię elektryczną z sieci prądu przemiennego w sposób
bezpośredni lub pośredni, Najliczniejszą grupę przekształtników zasilanych bezpośrednio z sieci stanowią
prostowniki zaliczane do odbiorników nieliniowych. Ich praca wywiera bardzo niekorzystny wpływ na sieć
zasilającą, a przede wszystkim na jakość pobieranej energii elektrycznej. Do podstawowych negatywnych zjawisk
w tym zakresie należy: komutacyjne załamania napięcia sieciowego, odkształcenia przebiegów prądu sieci oraz
opóźnienie prądu względem napięcia sieci. Główną przyczyną są przyrządy półprzewodnikowe, których
charakterystyki napięciowo-prądowe są nieliniowe.
W czasie pracy przekształtnika tyrystorowego wyróżnić można wiele jego niekorzystnych oddziaływań na sieć
zasilającą i wynikające stąd zakłócenia pracy innych urządzeń zasilanych z tej sieci. Do bezpośrednich zjawisk
związanych z negatywnym oddziaływaniem przekształtników tyrystorowych na sieć zasilającą zalicza się:
1)
występowanie
komutacyjnych
załamań
w
przebiegach
napięć
zasilających.
2)
występowanie
mocy
biernej,
3)
niesinusoidalny
przebieg
prądów
pobieranych
z
sieci,
4) generacja wyższych harmonicznych,
Ponadto, do pochodnych zjawisk związanych z negatywnym oddziaływaniem zalicza się:
a) możliwość wystąpienia rezonansów szeregowych i równoległych dla harmonicznych generowanych przez
przekształtniki,
b) występowanie szybkozmiennych spadków napięcia pierwszej harmonicznej na skutek poboru mocy biernej
sterowania
4.2.2 Niesinusoidalny przebieg prądów pobieranych z sieci
Prąd pobierany przez przekształtnik z sieci zasilającej, najczęściej o przebiegu zbliżonym do prostokątnego
(trapezowego) lub "schodkowego", zależy od liczby pulsów, indukcyjności obwodu obciążenia oraz sposobu
połączeń transformatora sieciowego. Liczba takich przebiegów w jednej półfali prądu wzrasta wraz ze wzrostem
liczby pulsów p prostownika.
Prąd pobierany przez przekształtnik z sieci zasilającej, poza harmoniczną podstawową (sinusoidalną) o
częstotliwości napięcia zasilania, zawiera cały szereg harmonicznych wyższych częstotliwości, które
niekorzystnie wpływają na pracę sieci i inne podłączone do tej sieci urządzenia. Harmoniczne prądu wpływają
negatywnie na efektywność przesyłania
przekształtnikowych większej mocy.
energii
elektrycznej
szczególnie
przy
zasilaniu
układów
Przebieg czasowy prądu w uzwojeniu pierwotnym transformatora przekształtnika sześciopulsowego, przy
połączeniu uzwojeń pierwotnych w gwiazdę (Yy0) przedstawiono na rys. 4.1.
Rys. 4.1. Przebieg czasowy prądu w uzwojeniu pierwotnym transformatora przekształtnika
sześciopulsowego,
Rząd k generowanych harmonicznych prądu sieci zależy od liczby pulsów p prostownika. Wielopulsowy
mostkowy przekształtnik tyrystorowy, symetrycznie sterowany i zasilany, wymusza w przewodach liniowych linii
zasilającej przepływ prądu o przebiegu zawierającym wyższe harmoniczne prądu. Oprócz harmonicznej
podstawowej o częstotliwości równej częstotliwości przebiegu napięcia, zawiera on harmoniczne, których
rząd k generowanych harmonicznych prądu sieci zależy od liczby pulsów p prostownika i określony jest
następująco:
k = np ± 1,
przy
pn = 1,2,3....- kolejne liczby naturalne.
liczba
pulsów
czym:
przekształtnika,
Wyższe harmoniczne, których rzędy otrzymano z zależności k = np ± 1n, w wyniku odejmowania, tworzą
układ symetryczny kolejności przeciwnej, natomiast harmoniczne, których rzędy wyznaczono w wyniku
dodawania, są symetrycznym układem trójfazowym o kolejności zgodnej.
W przekształtniku trójfazowym mostkowym występują harmoniczne rzędu k = 6n ± 1. Harmoniczne 5., 11.,
17., 23.,..... mają przeciwny kierunek wirowania (są trójfazowym układem o kolejności przeciwnej), a harmoniczne
7., 13., 19., 25., ....są układem kolejności zgodnej. A zatem prostownik sześciopulsowy generuje harmoniczne 5 i
7, 11 i 13, itd, podczas gdy dwunastopulsowy począwszy od jedenastej.
W celu ograniczenia przepływu przez linię zasilającą wyższych harmonicznych prądu o znacznych
wartościach skutecznych, przekształtniki dużej mocy wyposaża się w równoległe filtry wyższych harmonicznych
prądu (najczęściej 5. i 7., a czasem dodatkowo 11).
Wraz ze wzrostem rzędu k harmonicznej prądu maleje jej amplituda. Większa częstotliwość generowanych
harmonicznych oraz malejąca amplituda sprawiają, że moce ewentualnych filtrów sieciowych nie będą tak duże
jak w przypadku filtracji wyższych harmonicznych niższych rzędów.
Wpływ wyższych harmonicznych w napięciu zasilającym zakłady przemysłowe na jakość pracy
odbiorników elektrycznych
Odbiorniki elektryczne z energoelektronicznymi obwodami wejściowymi przekształcają energię elektryczną
prądu przemiennego na ten sam rodzaj energii, ale o innych parametrach niż w sieci zasilającej (wartość prądu,
napięcia, częstotliwości). Taka przemiana pozwala sterować w sposób energooszczędny przekształceniem
energii elektrycznej na inny rodzaj energii potrzebny do procesu produkcyjnego.
Dotyczy to przekształcenia na energię mechaniczną (głównie silniki elektryczne), świetlną (energooszczędne
źródła światła), chemiczną (procesy elektrochemiczne), grzewczą (sterowane elektryczne źródła ciepła). Również
obiekty biurowe i mieszkalne w coraz większym stopniu wyposażane są w odbiorniki elektryczne z obwodami
wejściowymi energoelektronicznymi służącymi do sterowania energią elektryczną (regulowane wentylatory
klimatyzacji, pompy tłoczące czynnik grzewczy, grzałki, odkurzacze, miksery, żarówki energooszczędne) lub do
zamiany parametrów sieciowych (prąd, napięcie, częstotliwość) na napięcie i prąd o wartościach stałych
(zasilacze komputerów, faksów, kopiarek itp.).
Zastosowanie energooszczędnych elementów półprzewodnikowych (diody, tyrystory i tranzystory różnego
typu) pozwala z jednej strony oszczędzać energię elektryczną, a z drugiej strony (głównie wtedy, gdy są
stosowane bez znajomości wszystkich zjawisk elektrycznych) wprowadzają do energetycznej sieci zasilającej
zakłócenia.
Ogólnie można stwierdzić, że występowanie wyższych harmonicznych w napięciu sieci energetycznej
zasilającej zakłady przemysłowe jest efektem zakłóceń powstających w danym zakładzie przemysłowym lub w
innym obiekcie i przenoszonych poprzez wspólną sieć.
4.2.3 Komutacyjne załamania napięcia sieciowego
Podczas komutacji następuje przekazywanie prądu obciążenia Id z jednej gałęzi przekształtnika do drugiej (z
jednego zaworu przekształtnika przez drugi zawór wchodzący do pracy). Zjawisko to polega na występowaniu
krótkotrwałych i cyklicznie powtarzających się stanów zwarciowych faz komutujących ze sobą. Objawia sie to
krótkotrwałą zmianą wartości chwilowej napięcia fazy komutującej (rys. 4.2), określaną jako komutacyjne
załamanie napięcia. Podczas komutacji prostej - dwóch faz układu zasilania, przy komutacji złożonej - kilku faz).
Rys. 4.2 Komutacyjne załamania napięcia sieciowego
Komutacyjne załamania napięcia charakteryzują się: głębokością załamania ΔU; szerokością załamania µ i
powierzchnią załamania A. Miarą głębokości komutacyjnych załamań napięcia jest stosunek głębokości
załamania ΔU do wartości chwilowej unieodkształconego napięcia w miejscu wystąpienia załamania. Szerokość
załamania odpowiada kątowi komutacji natomiast powierzchnia załamania A = ΔU·µ.
Komutacyjne załamania napięcia sieci mogą zakłócać pracę układów sterowania tyrystorów wszystkich
przekształtników zasilanych z tej samej sieci oraz niekorzystnie wpływać na pracę urządzeń pomiarowych,
elektronicznych i sterujących przyłączonych do tej sieci.
Jakość napięcia sieci elektroenergetycznej jest określana wieloma parametrami między innymi zawartością
harmonicznych. Harmoniczne prądu pobieranego przez przekształtnik powodują na indukcyjnościach sieci
zasilającej odkształcenia napięcia w punkcie przyłączenia przekształtnika jak również w innych odległych
punktach sieci.
Liczba uwzględnionych harmonicznych decyduje o dokładności odwzorowania przebiegu prądu. Harmoniczne
prądu sieci przyczyniają się do wzrostu strat przesyłu energii elektrycznej w linii, transformatorze, urządzeniach
rozdzielczych itd. na skutek zwiększenia wartości skutecznej prądu sieci. Powodują one również zmniejszenie
impedancji kondensatorów stosowanych do kompensacji mocy biernej, co może prowadzić do ich uszkodzenia.
Negatywne oddziaływanie harmonicznych w prądzie sieci oznacza także możliwość wystąpienia rezonansu
równoległego układu zasilania z baterią kondensatorów, skutkiem czego może być wielokrotny wzrost amplitudy
określonej harmonicznej (rezonansowej) prądu sieci oraz uszkodzenie zarówno baterii, jak i przekształtnika.
Najprostszym i powszechnie stosowanym środkiem łagodzącym odkształcenie prądu są dławiki sieciowe
włączane na wejściu przekształtnika.
Całkowity współczynnik odkształcenia - THD (total harmonic distortion factor) - można wyrazić jako iloraz
skutecznej wartości zawartości harmonicznych (bez składowej podstawowej) do skutecznej wartości całego
przebiegu (z harmoniczną podstawową). Główną przyczyną występowania wyższych harmonicznych prądu i
napięcia o częstotliwościach będących wielokrotnością częstotliwości sieciowej 50 Hz, jest praca odbiorników z
energoelektronicznymi nieliniowymi układami wejściowymi. Do oceny ilościowej występowania wyższych
harmonicznych prądu lub napięcia służą najczęściej współczynniki zniekształceń harmonicznych definiowanych
jako:
dla napięcia:
dla prądu:
gdzie;
U1,
((I1)
wartość
skuteczna
pierwszej
harmonicznej
napięcia
lub
prądu,
Uh,
(Ih)
wartość
skuteczna
napięcia
(prądu)
dla
harmonicznej
rzędu
n,
n - liczba harmonicznych uwzględniona do rozważań.
Zgodnie z Rozporządzeniem Ministra Gospodarki z dnia 4 maja 2007 r. w sprawie szczegółowych warunków
funkcjonowania systemu elektroenergetycznego [Dz.U. z 2007 r. Nr 93, poz. 623]. współczynnik odkształcenia
wyższymi harmonicznymi napięcia zasilającego THD, obliczany według wzoru:
przy
czym
THD
współczynnik
uh wartość
względną
h - rząd wyższej harmonicznej.
poszczególne
symbole
odkształcenia
harmonicznymi
napięcia
napięcia
w
procentach
składowej
oznaczają:
zasilającego,
podstawowej,
4.2.4 Pobór mocy biernej
Moc bierna pobierana przez przekształtnik ma dwie składowe: moc sterowania i moc komutacji. Moc bierna
sterowania Qs jest wynikiem zmiany kąta przesunięcia fazowego φ1 między przebiegiem napięcia a pierwszą
harmoniczną odkształconego prądu.
Moc bierna komutacji wywołana jest reaktancją obwodów komutacji zaworów. W celu wykazania skutków
wynikających z poboru mocy biernej przy pominięciu procesów komutacyjnych α2 = φ1 można przyjąć, że
impedancja zastępcza systemu (źródła) Zs ≠ 0 jest równa reaktancji zastępczej Xs. Zakładając dodatkowo, że
napięcie zasilające przekształtnik jest nieodkształcone (U1 = U) wartość mocy biernej sterowania Qs w układzie
trójfazowym można opisać wzorem:
Qs = 3U I1sinφ1 = 3 U I1sinαz
gdzie:
- wartość
skuteczna
napięcia
fazowego,
I1 wartość
skuteczna
harmonicznej
podstawowej
prądu,
2φ1 - kąt przesunięcia fazowego między przebiegiem napięcia a harmoniczna podstawową prądu.
U1 = U
Przy takich założeniach upraszczających moc bierna sterowania Qs jest mocą bierną podstawowych
harmonicznych.
Rys. 4.3 Schemat zastępczy układu zasilania prostownika
Oznaczenia: Es - SEM układu zasilania, Xs - reaktancja zastępcza układu,
Szw - moc zwarciowa układu na szynach zbiorczych, UN - napięcie znamionowe szyn,
Q - moc bierna pierwszej harmonicznej pobierana z systemu,
Qk - moc bierna pierwszej harmonicznej kompensatora nadążnego.
Względna wartość spadku napięcia podstawowej harmonicznej UR spowodowana szybkozmiennym poborem
mocy biernej sterowania Qs przyjmie postać:
URwzględny
spadek
napięcia
dla
UN - znamionowa wartość skuteczna napięcia międzyfazowego na szynach.
pierwszej
gdzie:
harmonicznej,
Zmieniając kąt załączania tyrystorów przekształtnika zmieniamy kąt przesunięcia fazowego harmonicznej
podstawowej prądu względem napięcia zasilającego. Ze wzrostem kąta opóźnienia zapłonu (α) tyrystorów
wzrasta kąt fazowy φ1 (Rys.4.4). Wynika stąd, że przekształtnik jest odbiornikiem pobierającym moc bierną
indukcyjną, wywołującą spadki napięcia na elementach reaktancyjnych sieci. W przypadku przekształtnika jest to
o tyle uciążliwe, że pobór tej mocy zmienia się wraz z regulacją kąta wysterowania tyrystorów (np. podczas
regulacji obrotów silników prądu stałego).
Zmienne obciążenie bierne powoduje powstawanie zmiennych, w czasie, spadków i wahań napięcia, gdyż w
sieciach o charakterze reaktancyjnym (indukcyjnym) spadki napięcia wywołuje głównie składowa bierna
podstawowej harmonicznej prądu.
Zmienne , w czasie, duże obciążenia bierne wnoszone przez prostowniki tyrystorowe mogą wywoływać
spadki napięcia i jego wahania w niedopuszczalnym zakresie. Jest to szczególnie ważne w sieciach o małej mocy
zwarcia (dużej reaktancji). Aby zmniejszyć obciążenie bierne pochodzące od podstawowej harmonicznej prądu,
poszukuje się takich układów prostowników, które wywołują mniejsze obciążenie bierne .
Rys. 4.4 Przebiegi czasowe prądu i napięcia zasilającego prostownik sterowany ( przy pominięciu
procesów komutacji)
Tyrystorowe przekształtniki energoelektroniczne są odbiornikami pobierającymi z sieci zasilającej moc bierną
indukcyjną. Występujące w przekształtnikach zjawisko komutacji ma wpływ na współczynnik przesunięcia
fazowego cosφ1, zmniejszając jego wartość . Na przykład kąt komutacji μ = 30° wywołuje zmniejszenie
współczynnika cosφ1 o około 7%. Dodatkowe zmniejszenie tego współczynnika występuje w przypadku
zastosowania transformatora przekształtnikowego i jest spowodowane poborem mocy biernej związanej z
prądem magnesującym transformatora .
Z wykresu kołowego na rys.4.5. wynika, że proces komutacji wpływa na wartość mocy biernej, zwiększając ją
w zakresie pracy prostownikowej i zmniejszając dla falownika. Zmiana kierunku przepływu energii nie wpływa na
charakter obciążenia biernego. Moc bierna podstawowej harmonicznej obciążająca źródło i linię przesyłową jest
bardzo niekorzystną cechą prostownika tyrystorowego. Moc ta jest zmienna w czasie, gdyż jej wartość jest
funkcją średniej wartości napięcia wyprostowanego. Osiąga ona dla α =π/2 czyli dla Ud = 0 wartość największą i
maleje do 0 przy α = 0 lub π.
Oznacza to, że prostownik zasilający np. układ napędowy w początkowej fazie rozruchu, gdy napięcie silnika
jest bliskie zera i dostarczana do niego moc czynna jest bardzo mała, obciąża źródło maksymalną wartością
mocy biernej podstawowej harmonicznej.
Rys. 4.5 Względna wartość mocy biernej przesunięcia fazowego pobieranej
przez przekształtnik tyrystorowy w funkcji jego wysterowania.
Układy prostownikowe należy projektować tak, aby w miarę możliwości długotrwałe obciążenie znamionowe
występowało przy małych wartościach kątów α i β. Zmienność poboru mocy biernej indukcyjnej stwarza problemy
w jej kompensacji.
4.2.5 Kompensacja mocy biernej
Zmienne w czasie obciążenie bierne powoduje powstawanie zmiennych spadków napięcia na reaktancjach
sieci zasilającej oraz dodatkowych strat mocy na rezystancjach systemu zasilającego. Wywołane zmiennym
obciążeniem biernym spadki napięcia mogą osiągać wartości wymagające zastosowania środków dla ich
ograniczenia.
Klasyczne metody kompensacji mocy biernej, polegające na załączeniu na stałe baterii kondensatorów dla
tego rodzaju obciążenia są nieskuteczne ze względu na duże i szybkie zmiany mocy biernej prostownika
tyrystorowego. Kompensacja takich obciążeń może być realizowana między innymi za pomocą :
specjalnych
nadążnych
kompensatorów
,
- przełączalnej baterii kondensatorów wraz ze sterownikiem prądu indukcyjnego jako dynamicznego
kompensatora
mocy
przesunięcia,
- rezonansowych filtrów indukcyjno – pojemnościowych do ograniczenia zawartości wyższych harmonicznych
napięcia
i
prądu
linii
zasilającej
przekształtnik
,
- energoelektroniczne kompensatory mocy biernej przesunięcia i odkształcenia ( tzw. filtry aktywne ).
Rys. 4.6. Schemat ideowy układu trójfazowego kompensatora mocy biernej z łącznikami tyrystorowymi
Jeśli moc bierna pobierana przez przekształtnik lub zespół przekształtników wykazuje nieznaczne wahania ,
to można stosować kompensatory statyczne w postaci baterii kondensatorów . Kompensatory kondensatorowe
mogą być podzielone na równoległe sekcje, załączane za pomocą łączników tyrystorowych, zależnie od
zapotrzebowania na moc bierną przesunięcia.