Studiul Regimului Deformant Introdus în Retea de Echipamente cu Electronica de Putere

CUPRINS

1.POLUAREA ARMONICĂ

1.1. Generalități

Problemele legate de poluarea armonică reprezintă unul dintre aspectele importante în relația furnizor de energie electrică – consumator, iar adoptarea unor măsuri eficiente pentru asigurarea calității energiei electrice în prezența surselor perturbatoare preocupă în mare măsură specialiștii din sectorul electroenergetic. Dezvoltarea industrială, utilizarea largă a tehnologiilor moderne, tracțiunea electrică, utilizarea reglajelor cu mutatoare au condus la o importantă creștere a numărului surselor perturbatoare, determinând o poluare din ce în ce mai intensă a rețelei electrice. Totuși, poluarea armonică nu este un fenomen nou, probleme legate de componentele armonice ale curbelor de tensiune și/sau de curent au apărut chiar de la începutul utilizării industriale a energiei electrice.

Armonicile au fost considerate, pe parcursul dezvoltării sistemelor energetice, drept cauza unei mari diversități de fenomene și evenimente în sistemele electrice de transport și distribuție, chiar dacă forma de manifestare și modul de rezolvare a acestora au fost într-o continuă schimbare. La sfârșitul secolului trecut și la începutul secolului al XX-lea, problemele erau legate de tensiunile armonice existente în sistemele de transport și de distribuție; într-adevăr, datorită soluțiilor constructive insuficient elaborate, conținutul în armonici al tensiunii furnizate de generatoare era relativ ridicat. Ulterior, introducerea pe scară largă a receptoarelor neliniare a determinat apariția frecventă a surselor de curenți armonici. [2]

Prima mențiune legată de utilizarea analizei armonice, ca modalitate de rezolvare a unei probleme practice de electrotehnică, este făcută în anul 1893. C.P. Steinmetz a identificat drept cauză a supraîncălzirii unui motor electric (montat la Hartford, S.U.A.) supratensiunea determinată de fenomene de rezonanță serie pe linia de alimentare, având o lungime de 16,3 km și funcționând la 125 Hz. Problema era specifică pentru S.U.A., unde sistemele de transport al energiei electrice aveau frecvențe de 125, 133 sau 140 Hz; sistemele europene, funcționând la frecvențe mult mai mici (f50 Hz), nu au fost confruntate cu asemenea evenimente.

În anul 1895, principalii producători americani (Westinghouse și General Electric) au introdus în fabricație noi generatoare cu înfășurări distribuite pe întreaga circumferință, în scopul îmbunătățirii formei curbei tensiunii fumizate. A doua menționare în literatura de specialitate a unor probleme legate de armonici apare la începutul secolului și face referire la valori ridicate ale curentului prin conductorul de nul, în cazul funcționării în paralel a generatoarelor având neutrul legat la pământ; este vorba, desigur, despre însumarea armonicilor de rang multiplu de trei, în cazul sistemelor cu conexiune în stea, fenomen bine cunoscut în prezent.

În anii 1930, odată cu introducerea tehnologiilor bazate pe descărcarea în arc (surse de lumină, cuptoare electrice, instalații de sudare) a început generarea, pe scară largă, a curenților armonici de către receptoare sau alte echipamente existente în sistem. Transformatoarele, funcționând în zona neliniară a caracteristicii de magnetizare, reprezentau, de asemenea, o importantă sursă de poluare armonică. Principala problemă care a trebuit rezolvată a reprezentat-o interferența inductivă cu circuitele telefonice. Cuplajul inductiv, între rețelele aeriene de transport și distribuție a energiei electrice și circuitele telefonice montate pe aceiași stâlpi, inducea tensiuni parazite suficient de mari, pentru a perturba traficul telefonic.

Începând din anii 1960-1970, poluarea armonică a sistemelor de putere a crescut datorită dezvoltării explozive a dispozitivelor electronice semiconductoare. Îmbunătățirile tehnologice au permis creșterea performanțelor și reducerea costurilor astfel încât electronica de putere a pătruns rapid și masiv atât în sectoarele industriale cât și în cele casnice sau terțiare. Principalele avantaje ale noilor tehnologii și echipamente sau reducerea costurilor de producție (prin creșterea randamentelor și reducerea costurilor de mentenanță), reducerea gabaritelor și greutăților, îmbunătățirea posibilităților de control.

În prezent, în țările dezvoltate, circa 50% din receptoarele unui consumator industrial constau din convertoare de frecvența (pentru alimentarea sistemelor de calcul sau a controlerelor de proces) și din balasturi electronice.Datorită caracteristicii neliniare a sarcinilor menționate mai sus (care utilizează diode, tiristoare sau tranzistoare pentru conversiile c.a-c.c, c.c-c.a sau c.c-c.c), în sistemele de distribuție industriale apar cantități însemnate de tensiuni sau curenți armonici, circulația acestora determinând distorsionarea undei de tensiune în punctul de record (dar si în alte părți ale sistemului) datorită impedanței finite a sistemului electroenergetic. Efectele fenomenelor de rezonanță care pot amplifica undele armonice (creșterea tensiunii în diferite puncte ale rețelelor electrice, supraîncărcarea transformatoarelor și în special a bateriilor de condensatoare), precum și faptul că nu există o alternativă viabilă la introducerea masivă a electronicii de putere în toate sectoarele vieții economice și sociale a determinat în ultimii ani o nouă creștere a interesului specialiștilor pentru poluarea armonică.

Echipamentele electronice reprezintă principala sursă de curenți armonici,fiind în același timp foarte sensibile la deformarea undei de tensiune în sistemul de alimentare. [1]

1.2. Probleme privind calitatea energiei electrice

Mai mult de 60% din energia electrică, în țările dezvoltate, este vehiculată prin intermediul convertoarelor statice de putere. Pe lângă avantajele cunoscute, acestea introduc o serie de dezavantaje legate de forma curentului și a tensiunii alternative a rețelei de alimentare, ceea ce echivalează cu prezența în afara armonicei fundamentale a armonicilor de ordin superior în rețelele electrice. Sarcinile neliniare deformează curentul de la rețea chiar dacă tensiunea de alimentare este sinusoidală. Schema electrică a unei astfel de sarcini se poate prezenta drept o sarcină lineară corespunzătoare armonicei fundamentale a curentului și o multitudine de surse de curent corespunzătoare fiecărei armonici de ordin superior. Acestea din urma provoacă pe de o parte pierderi suplimentare prin efect Joule, pe de alta parte conduc la o funcționare incorectă a protecțiilor si datorita căderilor de tensiune pe impedanțele de scurtcircuit deformează tensiunea la bornele condensatorului si poluează mediul cu emisii electromagnetice de frecventă ridicată.

Deformarea tensiunii duce la apariția următoarelor fenomene:

– se poate periclita funcționarea convertoarelor electrice bazate pe întârzierea unghiului de aprindere.

– există pericolul ca condensatoarele de compensare a factorului de putere si impedanța rețelei să se comporte ca circuite rezonante serie (datorita tensiunii) ceea ce duce la apariția de curenți mari ce pot provocă distrugerea instalației și scoaterea consumatorilor din sistem.

În anumite situații nu se mai poate realiza compensarea puterii reactive cu condensatoare simple ceea ce face necesară folosirea de filtre active ce asigura o tensiune apropiată de cea sinusoidala ca mai apoi să se folosească condensatoare simple. De asemenea, există norme care în funcție de puterea de scurtcircuit limitează curenții de armonici superioare ce circulă în rețea și limitează distorsionarea tensiunii de la borne. Există două probleme, pe de o parte puterea Uef(1)*Ief(h) se plătește la același preț ca și puterea reactivă, pe de alta parte peste un nivel al armonicilor si distorsiunii distribuitorii au dreptul să debranșeze consumatorul respectiv de la rețea Ca urmare este necesară dezvoltarea de soluții pentru compensarea armonicilor de curent și tensiune. Aceste soluții sunt reprezentate de filtre pasive si filtre active. Filtrele active de putere se amplasează în stațiile de distribuție de joasă tensiune la care sunt conectați consumatorii importanți de putere reactiva și deformantă și realizează îmbunătățirea parametrilor energiei electrice, făcând să se absoarbă din rețea practic numai putere activă.

Din ce în ce mai mult, componentele electronice de putere cum ar fi redresoarele, surse în comutație și convertoare de frecvență sunt folosite în toate ariile de activitate. Nu ne mai putem imagina lipsa microelectronicii sub formă de calculatoare și controllere programabile. Primul grup de dispozitive influențează calitatea tensiunii electrice, celălalt grup de dispozitive sunt foarte sensibile la reducerea calității energiei electrice de alimentare. [2]

Există, deasemenea, si alte fenomene care duc la slăbirea calității energiei electrice:

– efecte de comutație produse de convertoare cu tiristoare;

– armonici datorate sarcinilor neliniare cum ar fi redresoarele, surse în comutație;

– efectul de flicker datorat sarcinilor fluctuante ce apar la închiderea/deschiderea

contactoarelor, pornirea motoarelor, mașini cu rezistență ridicată, aparate de sudură, etc.

În Fig. 1.1 sunt prezentați diverși consumatori ce alterează calitatea tensiunii și a curentului în rețelele de joasă tensiune.

Fig. 1.1 Consumatori deformanți în rețelele de joasă tensiune.

În Fig. 1.2 se exemplifică aceste probleme ce se datorează redresoarelor necomandate care alimentează sursa în comutație ce se găsește într-un calculator.

Fig. 1.2 Sarcinile neliniare conduc la căderi neliniare de tensiune.

Energia electrică este considerată în prezent un produs, livrat de furnizor consumatorilor, în condiții de calitate și eficiență economică, cu limitarea impactului instalațiilor energetice asupra mediului ambiant. În orice domeniu de activitate, calitatea nu este un concept static. Conținutul acestui concept variază în timp, datorită dezvoltării tehnologice și a evoluției sociale.

În consecință și cerințele privind calitatea serviciului de furnizare a energiei electrice trebuie mereu adaptate unor necesități standardizate, mereu perfectibile.

Produsul energie electrică este utilizat de consumatori de o mare diversitate, de la cei industriali (mai puțini, dar de putere mare), până la cei casnici, caracterizați de receptoare de putere mică, dar foarte numeroși, atât în mediul urban, cât și în mediul rural. Tehnologiile modeme, într-o continuă evoluție, bazate pe electronica de putere și microinformatică, prezente astăzi în toate sectoarele de consum, antrenează procese complexe, dintre care unele sunt:

– sensibile la perturbații electromagnetice, provenind atât din mediul lor, cât și

din rețeaua electrică de alimentare;

– generatoare de perturbații electromagnetice;

– perturbatoare și, în același timp, și perturbate electromagnetic.

Menținerea în permanență a unui anumit nivel al calității energiei electrice într-un

nod energetic necesită o colaborare continuă a furnizorului de energie electrică (cu responsabilități privind calitatea tensiunii la barele de alimentare) cu consumatorii de energie electrică (potențiali surse de perturbație), pentru a obține un punctul comun de cuplare, indicatorii de calitate înscriși în contractul de furnizare.

Nivelul mediu de calitate al produsului energie electrică livrat de furnizor consumatorilor trebuie adaptat dinamic pe toată durata de viață a rețelei electrice. În acest scop, este necesară o conlucrare permanentă între:

– furnizorii de energie electrică;

– fabricanții și instalatorii de receptoare electrice;

– utilizatorii de energie electrică.

Cei trei participanți la rezolvarea problemelor de compatibilitate electromagnetică trebuie să posede cunoștințe complexe referitoare la:

– mediul electromagnetic în care funcționează receptoarele electrice;

– nivelul de emisie al perturbațiilor în punctul comun de cuplare al consumatorului;

– nivelul de imunitate al fiecărui tip de receptor electric la diferite tipuri de perturbații, ce pot săce pot să apară în punctul comun de cuplare;

– măsurile de asigurare a calității necesare în punctul respectiv, la o anumită etapă de dezvoltare a rețelei de alimentare.

Calitatea energiei electrice, spre deosebire de alte sectoare de activitate, depinde nu numai de furnizor, ci și de toți consumatorii racordați la aceeași rețea de alimentare; unii dintre aceștia pot determina influențe perturbatorii în rețeaua furnizorului, care să afecteze funcționarea altor consumatori, racordați la aceeași rețea; în consecință, consumatorii, care contribuie la alterarea calității energiei electrice peste valorile admise, trebuie să adopte măsuri pentru încadrarea perturbațiilor produse în limitele alocate sau să accepte posibilitatea deconectării sale. Promovarea riguroasă a unei politici a calității la nivel de stat, a unor programe concrete la nivelul companiilor de electricitate, presupune definirea și promovarea unei legislații adecvate și armonizate cu reglementările adoptate la nivel internațional, care vizează atât responsabilitatea furnizorilor pentru daune provocate utilizatorilor prin livrarea unei energii electrice de calitate necorespunzătoare (cu abateri față de indicatorii înscriși înbcontractul de furnizare), cât și responsabilitatea consumatorului pentru perturbațiilor determinate în rețeaua electrică a furnizorului; astfel de reglementări trebuie să constituie baza legală a relației furnizor – consumator și să stabilească obligații și răspunderi precise pentru toți parteneri implicați pe întregul traseu producție – consum.

În acest scop, se impun următoarele măsuri principale:

– crearea unui set simplu, clar și ușor perfectibil, de indicatori de calitate, care să surprindă rapid și, pe cât posibil, cât mai complet, multiplele aspecte care

definesc, la un anumit stadiu, calitatea;

– normarea unor valori și/sau abateri admisibile pentru indicatorii de calitate, acceptate de toți factorii implicați: furnizor – utilizator – fabricant de receptoare electrice;

– elaborarea bazelor metodologice ale controlului de calitate și asigurarea unei

monitorizări în timp real a tuturor indicatorilor de calitate;

– crearea, exploatarea și întreținerea unui sistem informațional adecvat, capabil de prelucrări statistice asupra valorilor măsurate, care să permită obținerea, procesarea și vehicularea rapidă a unor informații sigure cu privire la nivelul de calitate a tranzitului de energie către toate categoriile de consumatori;

– elaborarea unor acte tehnico – normative care să constituie baza legală a contractelor economice între furnizor și consumator și care să cuprindă obligațiile celor două părți privind calitatea energiei electrice.

Studiile actuale, vizând problema calității energiei, dezbătute în cadrul unor prestigioase conferințe internaționale PQ (POWER QUALITY): Paris (1992), Atlanta-SUA (1993), Amsterdam (1994), New York (1996), Stockholm (1997), New – Delhi (1998), Boston (2000) se desfășoară, în principal, pe trei direcții:

– analiza indicatorilor actuali de calitate și dezvoltarea unor programe eficiente de monitorizare, care să stea la baza unor relații corecte furnizor – consumator,

– evaluarea efectelor abaterilor față de limitele recomandate de reglementările internaționale;

– stabilirea unor măsuri eficiente tehnice, organizatorice, contractuale și juridice, care să asigure încadrarea indicatorilor de calitate în limitele impuse de standarde. Armonicile sunt semnale a căror frecvență este multiplu întreg al frecvenței fundamentale. În general, armonicile sunt generate de sarcini neliniare din rețea.

2. REGIMUL ARMONIC ÎN SISTEMELE ELECTROENERGETICE

Aprofundarea problemelor legate de calitatea energiei electrice a impus și dezvoltarea unei terminologii specifice pentru descrierea fenomenelor caracteristice. Totuși, în prezent, această terminologie nu este unitară, întâlnindu-se, în litera-tură, fie concepte și definiții diferite, fie interpretări diverse ale acelorași noțiuni. Din acest motiv, apar frecvente confuzii între producătorii de echipamente, distribuitorii de energie și utilizatori, precum și specialiștii din același sector. Apare deci utilă prezentarea unei terminologii legată de problema poluării armonice a sisteme-lor electroenergetice.

Regimul deformant este regimul permanent de funcționare a rețelelor electrice de tensiune alternativă, în care curbele de variație în timp de tensiune și de curent sunt periodice și cel puțin una dintre ele nu este sinusoidală. Un consumator este considerat deformant dacă deține elemente care generează, în punctul de delimitare, regim deformant.

2.1. Distorsiunea armonică

Distorsiunea armonică a unei unde reprezintă o deviație, în regim permanent , de la forma sinusoidală a undei (de tensiune sau curent) de frecvențăa caracteristică sistemului analizat.

În mod normal, în sistemele electrice se pot întâlni următoarele cinci tipuri fundamentale de distorsiune armonică:

-componente continue;

-armonici ;

-interarmonici;

-goluri de comutație;

-zgomote.

Componenta continuă reprezintă prezența unei tensiuni sau a unui curent continuu într-un sistem energetic de curent alternativ. Ea poate apărea ca efect al unei perturbații geomagnetice sau al unei redresări monoalternanță. Componentele continue determină saturarea, în regim normal de funcționare a miezului transformatoarelor de putere provocând încălziri suplimentare, reducerea duratei de viață și apariția poluării armonice prin modificarea aspectului liniar al caracteristicii de funcționare a transformatoarelor sau a altor echipamente cu circuit magnetic. Pot apărea și corodări electrolitice ale electrozilor de punere la pământ sau a altor puncte de conexiune în instalatiile electrice.

Armonicile sunt curenți sau tensiuni sinusoidale având o frecvență care este multiplu întreg al frecvenței la care sistemul este proiectat să lucreze. Prezența armonicilor îsi are originea în neliniaritatea echipamentelor și receptoarelor conectate la sistemul electroenergetic, nivelul distorsiunii poate fi descris prin aspectul armonic, cu indicarea amplitudinii și a unghiului de fază pentru fiecare armonică individuală.

Interarmonicile constituie unde a căror frecvență nu este un multiplu întreg al frecvenței fundamentale; ele pot apărea ca frecvențe individuale sau ca spectre de bandă largă. Principalele surse ale distorsiunii interarmonice pot fi considerate convertoarele statice (de medie frecvență și cicloconvertoarele), motoarele de inducție și dispozitivele cu arc electric. Acestea se caracterizează printr-o variație periodică sau aleatoare a puterii absorbite din sistem; în acest caz, semnalul nu mai are perioada T (T fiind perioada corespunzătoare fundamentalei), fapt care explică apariția unor componente suplimentare față de cele obținute prin descompunerea în serie Fourier.

În general, se poate afirma că interarmonicile sunt caracteristice conectării a doua sisteme de curent alternativ având frecvențe diferite, cazul motoarelor de curent alternativ alimentate prin convertoare de frecvență fiind tipic în acest sens. Dacă frecvența sistemului energetic este f1 iar motorul va fi alimentat la frecvența f2 prin intermediul unui sistem redresor-invertor, curentul absorbit din rețea de mutator va conține armonici de frecvență (p1∙m±1)∙f1± (p2∙k±1)∙f2 unde m,k N; p1 reprezintă numărul de faze ale redresorului, iar p2 numarul de faze ale invertorului. Efectele interarmonicilor nu sunt încă bine cunoscute; s-au evidențiat totuși efecte de flicker la tuburile catodice, perturbații ale comunicațiilor efectuate pe liniile electrice și fenomenle de rezonanță. În ultima perioadă a fost pusă în evidență și prezența unor semnale sinusoidale având frecvența mai mică decât fundamentala numite infraarmonice sau subarmonice; ele sunt generate de aceleași receptoare ca și interarmonicile și pot determina saturarea transformatoarelor de putere din sistem sau rezonanțe mecanice.

Golurile de comutație reprezintă o distorsiune periodică a tensiunii cauzată de funcționarea normală a dispozitivelor electronice în momentul comutației de la o fază la alta. Se cunoaște că în acest interval apare un scurtcircuit momentan între cele doua faze(durata acestuia depinde de viteza de creștere a curentului admisă de dispozitivul static), fapt care determină o reducere a tensiunii-figura de mai jos.

Figura 2.1. Deformarea undei de tensiune determinată de

fenomene de comutație la un convertor trifazat.

Zgomotul se definește ca un semnal electric nedorit de bandă largă

(f < 200 kHz) suprapus peste unda de tensiune sau curent.El poate fi produs de

dispozitive sau echipamente electronice, sisteme de control, echipamente cu arc electric și în multe situații, efectele sale sunt potentate de o legare la pamant necorespunzătoare.Zgomotele afectează în special echipamentele electronice bazate pe microprocesoare (microcalculatoare, automate programabile). [2]

3. REGIMUL DEFORMANT

Prin regim deformant se definește regimul permanent de funcționare al rețelelor electroenergetice de tensiune alternativă în care undele de tensiune și de curent sunt periodice și cel puțin una din ele este nesinusoidală.

3.1. Elemente deformante

Elementele deformante sunt aparate care produc sau amplifică semnale armonice (tensiuni sau curenți).Ele sunt de doua tipuri:

Elemente deformante de categoria I : elemente de circuit care, alimentate cu semnale riguros sinusoidale, produc fenomene deformante (cuptoare cu arc, convertoare electronice și în general, orice element de circuit pronunțat neliniar);

Elemente deformante de categoria a II-a: elemente de circuit care nu dau naștere la regim deformant dar care, alimentate cu semnale nesinusoidale, amplifică deformația existentă (elemente reactive care formează circuite oscilante a caror frecvență poate coincide cu frecvențele curenților armonici produși de elementele deformante de categoria I).

În sistemele electroenergetice, curbele de curent sau tensiune sunt periodice, adică ele pot fi descrise prin funcții cu proprietatea:

f (t) = f (t ± k∙T) (3.1.1)

în care k N*; în relația (3.1.1) se definesc:

– perioada funcției;

– pulsația curbei fundamentale;

f -frecvența fundamentală.

Analiza armonică reprezintă operația de descompunere a unei oscilații periodice oarecare în oscilații armonice ale caror frecvențe sunt multiplii întregi ai frecvenței fundamentale. Matematicianul francez Joseph Fourier a demonstrat că dacă f(t) este netedă pe porțiuni în intervalul de o perioadă (condițiile lui Dirichlet: funcția este marginită, are un numar finit de discontinuităti de prima speța și este monotonă pe porțiuni), ea poate fi exprimată prin sume de semnale (numite serii Fourier), după cum urmeaza:

forma dezvoltată:

(3.1.2)

-forma restrânsă:

(3.1.3)

-forma în complex

(3.1.4)

în care se numește amplitudine spectrală complexă.

În relatia (3.1.3) termenul C0 reprezintă componenta continuă a undei periodice ,

(3.1.5)

este amplitudinea armonicii de rang n (pentru n =1 se vorbește de armonica 1 sau de armonica fundamentală ), iar

(3.1.6)

este faza inițială a armonicii de rang n ( defazajul armonicii în planul față de originea aleasă inițial în mod arbitrar); în planul fundamentalei (planul ), unghiul de defazaj rezultă:

(3.1.7)

Cele trei forme ale funcției (dezvoltată, restransă, în complex) se simplifică dacă funcțiile considerate îndeplinesc unele condiții suplimentare:

a) Funcția para are graficul simetric față de axa ordonatelor, satisfăcând deci condiția:

f(-t) = f(t) (3.1.8)

sau

f(t) = f(T-t) (3.1.9)

În acest caz bn = 0 și se obține dezvoltarea:

(3.1.10)

Funcția impară este frecvent întâlnită în electrotehnică, graficul funcției fiind simetric față de originea axelor; în acest caz:

f(-t) = – f(t) (3.1.11)

sau

f(t) = f(T-t) (3.1.12)

iar

(3.1.13)

c) Funcția alternativ simetrică satisface condiția :

(3.1.14)

iar seria Fourier nu conține decât armonici impare (| );

(3.1.15)

d) Funcția succesiv simetrică îndeplinește condiția suplimentară:

(3.1.16)

în seria Fourier intervin numai armonicile pare și componenta continuă:

(3.1.17)

Practic, analiza armonică a unei funcții periodice nesinusoidale constă în determinarea valorii coeficienților Fourier ce intervin în relațiile 2.2, 2.3, 2.4 întâlnindu-se două situații:

Funcția f(t) este cunoscută analitic

În acest caz, pot fi utilizate relațiile:

(3.1.18)

(3.1.19)

(3.1.20)

(3.1.21)

unde T este perioada funcției analizate; se observă că C0 este chiar valoarea medie pe o perioadă a funcției f(t).

b)Funcția f(t) este cunoscută grafic sau prin puncte

În multe situații practice, funcția f(t) este cunoscută sub forma unei înregistrări grafice sau este dată prin puncte. Se va exemplifica utilizarea metodei Thomson-Runge pentru

Figura 3.1. Funcție periodică nesinusoidală.

funcția prezentată în figura 3.1: împărțind perioada T în 2p intervale de lungime și notând:

(3.1.22)

avem:

(3.1.23)

(3.1.24)

(3.1.25)

Eroarea facută prin aproximare este cu atât mai mică cu cât numărul 2p este mai mare; pe de altă parte, s-a ajuns la concluzia că seria Fourier poate fi înlocuită cu o precizie satisfacătoare cu suma primelor 2p armonici (plus termenul liber dacă acesta există).

3.2. Indicatori ai nivelului poluării armonice a rețelelor electrice

Pentru punerea în evidență a existenței regimului deformant într-o rețea electrică s-au definit o serie de indicatori ai acestuia, indicatori care relevă impactul poluării armonice asupra funcționării sistemului electroenergetic.Pe de altă parte, trebuie menționat că fiecare indicator se referă la un anumit aspect al acestui impact și deci, pentru analiza în ansamblu a regimului deformant, trebuie determinat un număr relativ mare de indicatori.

Rangul armonicii (n) – rangul unei armonici este raportul dintre frecvența armonicii și frecvența fundamentalei.

Nivelul armonicii – pentru o armonică de rang n, nivelul armonicii este raportul, exprimat în procente, dintre valoarea efectivă a armonicii considerate (Yn) și valoarea efectivă a curbei fundamentale a undei (Y1). Deci :

[%] (3.2.1)

adică

[%] (3.2.2)

pentru curba de tensiune și

[%] (3.2.3)

pentru curba de curent.

Valorile efective ale semnalelor se determină prin analiza armonică. Utilizând relațiile 3.1.3.…3.1.6. si 3.1.23.…3.1.25. rezultă ca o tensiune u(t), respectiv un curent i(t), periodice nesinusoidale au expresiile:

(3.2.4)

(3.2.5)

unde:

U0, I0 – sunt amplitudinile componentei continue;

Un, In- valorile efective ale armonicilor de rang n;

αn,βn – faza inițială a armonicii de rang n (în raport cu o axă de referință cuprinsă în planul armonicii de rang n).

Se numeste spectru al unui semnal reprezentarea grafică a nivelului armonicilor sale funcție de rangul lor.

Coeficientul (factorul) de formă (kf) – coeficientul de formă este raportul dintre valoarea efectivă Y a marimii și valoarea medie Ymed pe o perioadă a modulului mărimii considerate:

(3.2.6)

Figura 3.2. Spectrul unui curent nesinusoidal.

Figura 3.3. Spectrul fazelor inițiale pentru un curent nesinusoidal.

în cazul marimilor periodice alternative simetrice, Ymed este valoarea medie a alternanței pozitive. Pentru o curbă sinusoidală, kf = 1.11; dacă curba periodică este mai turtită decât o sinusoidală kf < 1.11 iar dacă este mai ascuțită, factorul de formă este mai mare.

Coeficientul de formă nu poate fi utilizat ca indicator unic al regimului deformant deoarece există curbe nesinusoidale cu spectre armonice diferite dar care au aceeași valoare a lui kf, respectiv curbe nesinusoidale care au kf = 1.11.

Coeficientul (factorul) de vârf (kv) – coeficientul de vârf (de creastă) este raportul dintre valoarea maximă (amplitudinea) ymax a curbei nesinusoidale periodice și valoarea efectivă Y a acesteia:

(3.2.7)

Pentru o curbă sinusoidală , ; pentru curbe turtite , iar pentru cele ascuțite , valorile fiind puternic dependente de defazajul componentelor armonice. Uneori se folosește notiunea de “factor de vârf relativ”, acesta reprezentând raportul dintre coeficientul de vârf al curbei analizate și cel al undei sinusoidale:

(3.2.8)

Coeficientul de distorsiune (δ)- coeficientul de distorsiune al unei curbe nesinusoidale se definește ca fiind raportul, exprimat în procente, dintre reziduul deformant Yd (valoarea efectivă corespunzătoare armonicilor superioare) și valoarea efectivă a curbei fundamentale Y1. Rezultă deci:

[%] (3.2.9)

pentru curba de tensiune, respectiv:

[%] (3.2.10)

pentru curba de curent, normativul indicand N = 40. Literatura de specialitate europeană de limba engleză denumește coeficientul de distorsiune al tensiunii drept “ Total distortion factor ” și îl notează cu D; în S.U.A. el se numește “ Total harmonic distortion ” și se notează cu THD. Ca sinonime pentru THD apar “harmonic factor-HF ” sau “ distortion factor-DF ”. Tot standardele americane introduc noțiunea de “ total demand distortion ”sau TDD pentru coeficientul de distorsiune al curentului.

În practică se folosesc și alte expresii pentru coeficientul (factorul) de distorsiune, cea mai uzuală fiind:

[%] (3.2.11)

în care Yd este reziduul deformant, iar Y este valoarea efectivă a curbei analizate. Trecerea de la o formă la alta se poate face cu relația:

(3.2.12)

Relațiile de definitie evidențiază că δ poate avea valori cuprinse între 0 și ∞ pe când .

Normele CEI [39] introduc coeficientul de distorsiune ponderat al undei de tensiune care ia în considerare ponderea armonicilor individuale introduse de aplicația specifică. În cazul alimentării condensatoarelor cu o tensiune nesinusoidală (cazul cel mai defavorabil), expresia acestui coeficient este:

(3.2.13)

unde:

n este rangul armonicii;

Un – valoarea maximă a armonicii n;

N = 40;

U1 -valoarea maximă a fundamentalei.

4. EFECTE ALE POLUARII ARMONICE IN SISTEMELE ELECTROENERGETICE

4.1 Generalități

Creșterea ponderii elementelor neliniaie în sistemele electroenergetice, atât ca puteri instalate, precum și ca tipuri de echipamente, conduce la creșterea nivelului de poluare armonică a acestora cu amplificarea efectelor negative determinate de prezența armonicilor în rețeaua electrică. Aceste efecte pot fi abordate sub două aspecte:

a) din punct de vedere tehnic:

– elementele componente ale sistemului sunt sensibile fie la curenții armonici

(pierderi Joule, perturbații in domeniul audiofrecvență), fie la tensiunile deformate (pierderi în circuitele magnetice și materialele dielectrice, supratensiuni, care, în anumite cazuri, depășesc nivelurile admisibile);

– corecta funcționare a unor echipamente este afectată de prezența armonicilor de tensiune și/sau de curent (sisteme de comandă și control, echipamente sincronizate cu tensiunea rețelei etc.);

b) din punct de vedere economic:

– creșterea cheltuielilor de fabricație pentru limitarea neliniarităților specifice diferitelor echipamente sau pentru creșterea nivelului de imunitate la perturbații (încadrarea echipamentelor în clasele de imunitate impuse de normativele în vigoare);

– creșterea cheltuielilor de exploatare pentru operații de mentenanță preventivă sau corectivă;

– creșterea cheltuielilor de producere a energiei electrice și, în general, majorarea investițiilor în sistemele energetice datorită necesității supradimensionării elementelor rețelei.

4.2. Efecte ale poluării armonice asupra sistemelor de transport și distribuție a energiei electrice

Efectele poluării armonice asupra sistemelor de transport și distribuție a energiei

electrice se referă în principal la:

– pierderi suplimentare datorită circulației curenților armonici, care determină creșterea consumurilor proprii tehnologice, reducerea randamentului mașinilor electrice, solicitări suplimentare ale bateriilor de condensatoare etc.;

– solicitări suplimentare ale izolațiilor determinate de nivelul tensiunilor armonice din rețea (valorile tensiunilor depind de amplitudinea și faza curenților armonici injectați de diverse surse, precum și de existența fenomenelor de rezonanță). Prezența armonicilor într-o rețea electrică implică existența unor efecte termice majorate determinate de apariția pierderilor suplimentare de putere activă:

pierderi în materialul conductor;

pierderi în materiale magnetice;

pierderi în dielectric.

Pierderi în materiale conductoare

Circulația unor curenți nesinusoidali în conductoarele electrice determină pierderi suplimentare prin efect Joule-Lentz datorită (i) creșterii valorii eficace (față de regimul pur sinusoidal) și (ii) a valorii rezistențelor conductorului având în vedere dependența de frecvența a acesteia (efectul de suprafață și cel de proximitate). În ipoteza neglijării componentei de c.c, aceste pierderi se pot determina cu relația:

(4.2.1)

în care:

In – este amplitudinea armonicii de rang n;

Rn – rezistența elementului calculată pentru frecvența armonicii de rang n.

Se cunoaște că rezistența R în c.a. a unui element este:

(4.2.2)

unde:

RCC – este rezistenț în c.c;

rs -coeficient ce ține cont de efectul de suprafață (pelicular);

rp – coeficient ce ia în considerare efectul de proximitate.

Coeficientul rs poate fi exprimat ca:

rs = F(x) 4.2.3)

cu

(4.2.4)

în care:

f – este frecvența în Hz;

μr -permeabilitatea magnetică relativă a materialului

(μr = 1 pentru materiale para sau diamagnetice);

RCCl -rezistența în c.c. pe unitatea de lungime, la temperatura de lucru. Pentru a lua în considerare efectul de proximitate se poate utiliza relația:

(4.2.5)

în care:

k – este raportul dintre diametrul conductorului și distanța axială dintre conductoare.

Rezultă deci ca în cazul regimurilor nesinusoidale, evitarea supraîncălzirii sistemelor conductoare, este sinonimă cu reducerea capacitații de încărcare a conductelor electrice. În acest sens, se introduce noțiunea de “coeficient (factor) de depreciere” kh sau “harmonic derating factor-HDF”:

(4.2.6)

în care:

I – este valoarea eficace a curentului (nesinusoidal);

I1 – valoarea eficace a fundamentalei;

(4.2.7)

se numește factor de distribuție armonică;

In – valoarea eficace a armonicii de rang n;

(4.2.8)

este rezistența armonică normată;

Rn – rezistența conductorului pentru armonica n;

R – rezistența conductorului pentru fundamentala.

Dacă se neglijează variația rezistenței cu frecvența, R în c.a a unui element se poate scrie:

(4.2.9)

în care δi este coeficientul de distorsiune al curbei curentului electric.

a) Pierderi în materiale magnetice

Pierderile suplimentare în materiale magnetice apar datorită fenomenelor de histerezis și a existenței curenților turbionari; pentru elemente monofazate lucrând pe porțiunea liniară a caracteristicii de magnetizare se poate scrie:

(4.2.10)

în care:

fn – este frecvența armonicii de rang n;

aH, aT sunt constante ce depind de natura materialului;

p = 1,5…2,5 este un exponent a cărui valoare depinde de material;

Bn – valoarea maximă a inducției pentru armonica de rang n.

Având în vedere că:

(4.2.11)

(4.2.12)

unde:

Un este amplitudinea tensiunii armonice de rang n;

S – aria secțiunii transversale a circuitului magnetic;

N – numărul de spire;

f – frecvența fundamentalei,

pierderile în Fe se pot scrie și sub forma:

(4.2.13)

cu

(4.2.14)

și

(4.2.15)

Pentru elementele trifazate, pierderile determinate mai sus trebuie multiplicate cu trei; în cazul echipamentelor care prezintă fenomene de histerezis ăi/sau lucrează pe porțiunea neliniară a caracteristicii de magnetizare, adunarea puterilor pe fiecare armonică este aproximativă, dar acceptabilă pentru situațiile întâlnite în sistemele energetice.

b)Pierderi în materiale dielectrice

Aceste pierderi sunt localizate în dielectricul condensatoarelor și în izolația liniilor electrice. Pentru un condensator electric liniar, pierderile dielectrice pe fază sunt:

(4.2.16)

cu

(4.2.17)

în care:

C este capacitatea condensatorului;

Un – amplitudinea armonicii de tensiune de rang n;

δn -unghiul de pierderi pentru armonica n;

Pn – pierderile de putere activă corespunzătoare armonicii n;

Qn -puterea reactivă corespunzătoare armonicii n.

În cazul liniilor electrice, pentru temperatură și umiditate normală și în absența descărcării Corona, pierderile dielectrice pot fi calculate cu relația:

(4.2.18)

în care Cn este capacitatea lineica pe fază corespunzătoare armonicii de rang n iar l este lungimea liniei.

4.3. Aparitia de supratensiuni in nodurile retelei electrice sau la bornele echipamentelor

Aparitia de supratensiuni in retelele electrice este determinata de existenta unor fenomene de rezonanta pe o armonica de tensiune. Daca o latura a retelei este formata din elemente liniare R, L si C, constante in timp si invariabile cu temperatua si frecventa – figura 4.1., iar potentialul fata de pamant al nodului N este:

(4.3.1)

Figura 4.1. Latura rezonantă într-un sistem energetic funcționând în

regim nesinusoidal.

curentul de armonica n care strabate aceasta latura se determina cu:

(4.3.2)

Daca elementele reactive satisfac relatia:

(4.3.3)

curentul armonic de rang k:

(4.3.4)

este in faza cu tensiunea armonica de acelasi rang si are o valoare ridicata, fiind limitat numai de rezistenta electrica a laturii. In acelasi timp, la bornele elementelor reactive apar supratensiuni:

(4.3.5)

coeficientul de supratensiune este si are o valoare cu atat mai mare cu cat rezistenta R este mai mica.

4.4. Creșterea potentialului punctului neutru pentru conexiuni Y0 ale transformatoarelor (sau altor receptoare)

Să consideram un echipament trifazat echilibrat (receptor sau transformator coborâtor) în conexiune stea – figura 4.2 – alimentat de sistemul de tensiuni:

Figura 4.2. Montaj stea cu conductor neutru in regim nesinusoidal.

Pentru armonicile de rang n=3k (k = 1,2,3…), în punctul neutru apare un potențial față de pământ a cărei valoare depinde de raportul dintre impedanța armonică a fazei active și cea a circuitului de nul :

(4.4.1)

Pentru armonicile de rang n=3k ± 1, potentialul față de pământ al punctului neutru va fi zero.

Supracurenți în rețelele electrice

Apariția de supracurenți în rețelele electrice este posibilă în cazul rezonanței paralel între impedanța echivalentă a sistemului energetic și capacitatea bateriei de condensatoare pentru compensarea factorului de putere amplasată într-un nod al sistemului sau la barele unui consumator industrial.

Încărcarea circuitului de nul al rețelelor trifazate

În cazul rețelelor electrice cu patru conductoare, existența surselor de curenți armonici va determina circulația prin firul neutru a unui curent obținut prin însumarea armonicilor de rang 3k:

(4.4.2)

chiar daca sistemul este echilibrat. Rezultă valoarea efectivă a curentului ce parcurge conductorul de nul:

(4.4.3.)

unde I3k este amplitudinea armonicii de rang n=3k. Acest curent se suprapune peste cel determinat de o eventuală nesimetrie a curenților sistemului și în consecință poate produce o supraîncălzire a conductorului, mai ales dacă acesta a fost dimensionat fară a se lua în considerare poluarea armonică a rețelei.

Această problemă apare în special în rețelele de distribuție de joasă tensiune în care o pondere însemnată în rândul consumatorilor o reprezintă sistemele de calcul și instalațiile de iluminat cu descărcari în gaze și vapori metalici; acestea se caracterizează printr-o valoare ridicată a armonicii de rang 3, astfel ca prin conductorul de nul vor circula curenți de intensitate ridicată.

4.5 Efectele poluării armonice asupra echipamentelor din rețelele electrice

Efectele poluării armonice asupra echipamentelor din rețelele electrice constau fie în pierderi suplimentare ce reduc randamentul transformării energiei electrice, fie în influentarea negativă a modului și regimurilor de funcționare ( în special în cazul transformatoarelor de putere și a echipamentelor electronice).

4.5.1 Efecte asupra transformatoarelor de putere

Funcționarea transformatoarelor de putere în rețelele poluate armonic poate avea urmatoarele consecințe:

solicitări mecanice suplimentare;

creșterea pierderilor de putere activă în înfășurări;

creșterea pierderilor de putere activă în miez;

creșterea solicitărilor electrice ale izolațiilor, determinată atât de valoarea maximă a tensiunii la borne cât și de viteza de variație a acesteia;

creșterea valorii coeficientului de distorsiune a curentului electric în cazul funcționării pe porțiunea neliniară a caracteristicii de magnetizare.

Principalul efect al exploatării unui transformator în regim nesinusoidal îl reprezintă ridicarea temperaturii datorită pierderilor suplimentare în înfășurări și în miez. Pentru a evita depășirea temperaturii maxim admise de producător este necesară reducerea încărcării, respectiv aplicarea unui “coeficient de depreciere” a puterii nominale:

(4.5.1)

în care:

S este puterea (încărcarea) în regim nesinusoidal;

Sn – puterea nominală a transformatorului;

k – coeficient de depreciere

(4.5.2)

I1 – curentul nominal al transformatorului;

In – valoarea eficace a armonicii de rang n.

4.5.2 Efecte asupra condensatoarelor

Utilizarea bateriilor de condensatoare pentru compensarea factorului de putere poate avea influențe semnificative asupra regimului deformant. Într-adevar, acestea nu generează armonici, dar pot asigura condițiile necesare apariției unor fenomene de rezonanță cu efect de amplificare a armonicilor existente în sistem: în cazul rezonanței serie creste curentul pe armonica respectivă și tensiunile pe elementele componente ale circuitului rezonant, iar în cazul rezonanței paralel apar supratensiuni de valori ridicate în sistem și curenți mari în condensatoare.

b)

Figura 4.3. Scheme echivalente pentru studiul circuitelor rezonante în regim nesinusoidal: a) cu sursă cu curenț armonici b) cu sursă de tensiuni armonice.

Frecvența de rezonantă

Frecvența de rezonanță se calculează cu relația:

(4.5.3)

în cazul existenței unei surse de curenți armonici și cu relația:

(4.5.4)

în cazul unei surse de tensiuni armonice. În relațiile de mai sus s-au utilizat notațiile:

(4.5.5)

este inductivitatea sistemului de alimentare ( în punctul de racord al bateriei );

(4.5.6)

este capacitatea bateriei de condensatoare;

U- valoarea eficace a tensiunii de linie;

Ssc – puterea de scurtcircuit în punctul de racord;

Qbc – puterea bateriei de condensatoare;

f – frecvența rețelei;

L0 – inductivitatea sursei de tensiuni armonice.

Condiții de amplasare a bateriei de condensatoare

La marea majoritate a consumatorilor industriali pot fi avute în vedere urmatoarele reguli:

Dacă puterea aparentă Sn1 a receptorului deformant este mai mică decât 10% din cea a transformatorului la care este racordat ST, bateria poate fi montată fără a apărea probleme de rezonanță;

Dacă Sn1< 0,3ST și Qbc< 0,2ST de asemenea, în mod normal, nu apar rezonanțe;

Dacă Sn1> 0,3ST, bateria de condensatoare trebuie sa fie element component al unui filtru.

În absența fenomenelor de rezonanță, principalul efect al exploatării condensatoarelor electrice îl reprezintă majorarea pierderilor de putere.Pierderile suplimentare pot fi determinate cu relația:

(4.5.7)

în care:

C este capacitatea condensatorului;

f – frecvența rețelei;

n – rangul armonicii;

δn – unghiul de pierderi pentru armonica de rang n;

Un – valoarea efectivă a armonicii de tensiune.

Dacă avem în vedere comportarea receptoarelor neliniare aflate în mod curent în sitemele energetice și dacș consideram tgδ=const, relația de mai sus poate fi pusă sub forma:

(4.5.8)

Pentru a limita aceste pierderi suplimentare în regim deformant, normativele în vigoare impun condensatoarelor să admită urmatoarele încărcari de durată:

În curent

(4.5.9)

ceea ce corespunde unui coeficient de distorsiune în curent δi=83%; într-adevăr

(4.5.10)

unde I1 = Inom este curentul nominal al condensatorului (în regim sinusoidal). Pentru rezultă:

(4.5.11)

În tensiune

Supratensiunile reprezintă un fenomen frecvent în rețelele poluate armonic. Se admite funcționarea îndelungată a condensatoarelor cu o tensiune la borne:

(4.5.12)

ceea ce autorizează o tensiune efectivă de utilizare cu 10% mai mare decât tensiunea nominală.

Putere reactivă

Puterea reactivă maximă furnizată de baterie trebuie să fie:

(4.5.13)

acoperind creșterile determinate de modificarea tensiunii și a capacității.

4.5.3. Efecte asupra funcționării mașinilor electrice rotative

Nivelul și tipul efectelor poluării armonice asupra mașinilor electrice rotative sunt determinate de felul mașinii (sincronă trifazată, asincronă mono sau trifazată) și de armonicile existente în rețeaua la care este racordată mașina.

Principalele efecte negative sunt:

pierderi suplimentare de putere activă în înfașurări și în circuitul magnetic;

modificări ale cuplului electromagnetic al mașinii cu influențe negative asupra randamentului;

oscilații ale cuplului de torsiune pe arborele mașinii, fapt care conduce la îmbătrânirea materialului, vibrații și zgomote suplimentare;

modificări ale inducției magnetice în întrefier datorită armonicilor de rang superior;

interacțiuni între fluxul magnetic determinat de armonica fundamentală și fluxul magnetic determinat de armonicile superioare.

Ca aspect general, au fost puse în evidentă următoarele:

(i) armonicile de rang n = 3k nu produc inducție magnetică în întrefier;

(ii) armonicile de rang n = 3k ± 1 conduc la apariția în întrefier a unui fazor inducție magnetică ce se rotește cu viteza în sensul de rotație al rotorului, respectiv în sens contrar și are amplitudinea proporțională cu amplitudinea armonicii de rang n a curentului electric.

(iii) armonicile determină creștrea pierderilor de putere activă și deci creștera temperaturii mașinii;

(iv) armonicile de rang n = 3k ± 1 determină apariția unui cuplu electromagnetic în sensul de rotație, respectiv în sens contrar, având în vedere viteza relativă de rotație a fazorului inducție magnetică în raport cu rotorul este

, la mașinile sincrone;

, la mașinile asincrone

(v) apar cupluri pulsatorii cu frecvența la mașinile sincrone și la mașinile asincrone; aceste cupluri actionează asupra arborelui mașinii și pot conduce la rezonanțe mecanice în cazul unor frecvențe egale cu frecvența proprie de vibrație a arborelui, amplificând astfel zgomotele îi solicitând suplimentar materialul.

Alunecarea corespunzatoare armonicii de rang n a curentului absorbit din retea se poate calcula cu relația simplificată:

(4.5.14)

în care semnul "-" se aplică pentru armonicile ce formează un sistem de succesiune directă , iar semnul "+" pentru armonicile corespunzătoare sistemelor de succesiune inversă .

Fiecare armonică va determina cupluri motoare sau rezistențe care se adaugă cuplului principal generat de armonica fundamentală.

Figura 4.4. prezintă cuplul rezultant al motorului asincron trifazat în condițiile prezenței armonicilor de rang 5 și 7 ale tensiunii de alimentare. Se observă existența a două valori minime ale cuplului, Cmin1 pentru , respectiv Cmin2 pentru .

Dacă cuplul rezistent la arborele motorului al mecanismului antrenat este mai mare decat Cmin1, mașina va funcționa la o turație mai mică decât cea nominală și la un curent peste cel nominal.

În cazul motoarelor conectate direct la rețeaua de distribuție, influența armonicilor superioare ale tensiunii de alimentare este, în general, mică (având în vedere valorile impuse coeficientului de distorsiune armonică). Dacă poluarea armonică este mai puternică, poate apărea necesitatea reducerii încărcării mașinii ( o depreciere a puterii motorului cu 5…10% poate fi impusă în cazuri defavorabile).

Situația este ceva mai complicată în cazul acționărilor reglabile, unde motoarele sunt alimentate prin intermediul convertoarelor statice de frecvență. Acestea ( și mai ales cele care conțin invertoare PWM ), produc o tensiune puternic distorsionată care poate crea probleme serioase motorului alimentat.

4.5.4. Perturbații electromagnetice în schemele de distribuție TNC

În schemele TNC, conductorul de nul se confundă cu conductorul de protecție ce interconectează toate masele, inclusiv structurile metalice ale cladirilor.

Curenții armonici vor parcurge aceste circuite provocănd variații de potențial; acest fenomen poate genera probleme cum ar fi:

coroziunea pieselor metalice;

încărcarea anormală a unei legături de telecomunicații ce leagă masele a doua receptoare

radiații electromagnetice ce perturbă funcționarea corectă a sistemelor de calcul.

4.5.5. Influențe asupra întreruptoarelor și siguranțelor fuzibile

Distorsiunea curentului afectează funcționarea întreruptoarelor sub mai multe aspecte:

creșterea pierderilor de putere activă care determină ridicarea temperaturii elementelor sensibile ale declanșatoarelor termice și ale altor elemente componente;

valori ridicate ale parametrului afectează eficacitatea dispozitivelor de stingere a arcului electric;

valori ridicate ale coeficientului de vârf determină funcționarea incorecta a întreruptoarelor cu declanșatoare electronice care se bazează pe detectarea maximului undei de curent.

În ceea ce priveste siguranțele fuzibile, acestea sunt desigur sensibile la încălzirile suplimentare determinate de armonicile superioare; apare deci o translatare a caracteristicii de funcționare, iar în cazurile foarte severe, o acționare intempestivă.

4.5.6. Influențe asupra echipamentelor electronice

Există mai multe mecanisme prin care poluarea armonică afectează echipamentele electronice, principalele fiind precizate mai jos:

Trecerile multiple prin zero ale undei de tensiune ca urmare a distorsiunii armonice reprezintă primul mecanism care trebuie avut în vedere. Într-adevar, un număr mare de circuite electronice își bazează funcționarea pe sincronizarea cu trecerile prin zero ale tensiunii rețelei; este evident că dacă apar mai multe puncte (decăt cele considerate pentru armonica fundamentală), funcționarea echipamentului este afectată și acesta nu își poate îndeplini în mod corect funcțiunile. În multe circuite electronice, comutarea dispozitivelor semiconductoare se face la tensiune zero pentru a reduce interferențele electromagnetice și șocurile de curent; trecerile multiple prin zero ale undei de tensiune pot afecta, și în acest caz, funcționarea corectă a echipamentelor.

Amplitudinea undei de tensiune, respectiv valoarea coeficientului de vârf este al doilea element care trebuie considerat. Se stie că sursele electronice utilizează aceasta informație pentru a asigura încărcarea condensatorului de filtrare.

Prezența armonicilor poate determina însă creșterea sau reducerea amplitudinii (efectul de ascuțire respectiv de aplatizare a curbei) tensiunii rețelei; ca urmare, tensiunea furnizată de sursă se modifică, chiar dacă valoarea eficace a tensiunii de intrare este valoarea nominală. Funcționarea echipamentelor alimentate de sursă este afectată, începând cu creșterea sensibilității la goluri de tensiune și ajungând până la disfuncționalități grave. Pentru a evita aceste efecte, unii fabricanți de calculatoare limitează valorile coeficientului de vărf la , iar alții recomandă respectarea condiției:

< 5% (4.5.15)

Interarmonicile și subarmonicile pot afecta funcționarea monitoarelor și televizoarelor prin modularea în amplitudine a frecvenței fundamentale.

4.5.7. Influențe asupra aparatelor de masură

Ampermetrele și voltmetrele moderne sunt relativ imune la influența distorsiunii undei; bazate pe sisteme de achiziții de date și multiplicatoare electronice, aceste aparate pot fi configurate să indice exact valoarea efectivă a tensiunii sau curentului. Ele nu sunt influențate de amplitudinea sau faza armonicilor atâta timp cât acestea se încadrează în limitele impuse de aparat iar coeficientul de vârf al undei nu este foarte mare: testele efectuate au aratat erori sub 0,2%.

Pentru wattmetrele și contoarele de energie activă electronice, erorile constante în cazul conectării la sistemele poluate armonic au fost sub 0,1%; ele sunt determinate de caracteristicile în frecvență ale canalelor de intrare și de anumite liniarităti.

Funcționarea aparatelor de masură analogice în rețelele poluate armonic este însă însoțită de erori relativ mari, atât în sens pozitiv căt și în sens negativ și dependente de tipul aparatului. În ceea ce privește contorul de inducție, cel mai utilizat aparat pentru masurarea energiei, acesta este puternic afectat de distorsiunea undelor de curent și/sau tensiune. Testele au evidențiat următoarele:

erori de până la -20% în cazul unor deformări semnificative ale undelor de tensiune și curent;

erori de până la + 5% pentru tensiune sinusoidală și curent deformant;

posibile rezonanțe mecanice în domeniul 400…1000 Hz

4.5.8. Influența asupra releelor de protecție

Studiile efectuate au evidențiat faptul că este foarte dificil de făcut predicții asupra comportării diferitelor relee de protecție în regim nesinusoidal. Modul de raspuns depinde de amplitudinea și faza armonicilor.

În cazul regulatoarelor voltmetrice, se recomandă respectarea condiției:

< 1,5…2% (4.5.16)

pentru n impar.

5. ANALIZA UNOR CONSUMATORI CARE INTRODUC REGIMUL DEFORMANT

5.1. Redresor monofazat necomandat în punte

Redresorul monofazat în punte cu diode are structura prezentată în Fig. 5.1.

Fig. 5.1. Redresor monofazat în punte.

În Fig. 5.2 sunt reprezentate formele de undă ce caracterizează funcționarea acestui circuit – a) în cazul absenței condensatorului de filtrare și impedanței de intrare și b) în cazul prezenței acestora. Într-o asemenea configurație curentul is absorbit de redresor diferă mult față de o formă de undă ideală, sinusoidală, așa după cum se poate constata din Fig. 5.3. Utilizând analiza Fourier curentul de alimentare poate fi descompus într-o componentă fundamentală is1 (linia punctată în Fig. 5.3) de frecvență 50 Hz și o multitudine de armonici de ordin superior.

Fig. 5.2. Redresor monofazat în punte – forme de undă.

Fig. 5.3. Formele de undă ale tensiunii și curentului de linie.

Se știe că putere activă, respectiv reactivă, produc numai armonicile de același

ordin din spectrul tensiunii și curentului. Presupunem o sursă ideală de tensiune, doar

cu armonica fundamentală, deci fără armonici superioare. Prin urmare, puterea

activă și reactivă absorbite de redresor sunt determinate de fundamentala curentului.

Astfel puterea activă este:

(5.1.1)

iar puterea reactivă:

(5.1.2)

unde Is1 este valoarea efectivă a fundamentalei curentului, iar ϕ1 defazajul ei față de us. Puterea aparentă a fundamentalei va fi:

(5.1.3)

iar puterea aparentă totală absorbită:

(5.1.4)

unde

(5.1.5)

este valoarea efectivă a curentului is. Definind componenta deformantă Idef a

curentului is:

(5.1.6)

puterea deformantă D se poate scrie:

(5.1.7)

Vom putea defini în continuare următoarele noțiuni:

– factorul de putere al fundamentalei, numit și factor de deplasare al redresorului:

(5.1.8)

factorul de putere al redresorului (sau factor de putere total):

(5.1.9)

Pentru caracterizarea deformării introduse în forma de undă a curentului se definește

distorsiunea armonică totală ( THD – ‘Total Harmonic Distorsion’ ):

(5.1.10)

5.2. Alimentarea cu punte trifazată necomandată

În Fig. 5.4 este prezentată schema unui redresor trifazat în punte, iar în Fig. 2.5 formele de undă ce caracterizează funcționarea acestuia.

Fig. 5.4. Schema redresorului trifazat în punte.

Și în acest caz puterea activă, respectiv reactivă, este determinată numai de fundamentala curentului deoarece armonicile superioare, neavând frecvența

egală cu a tensiunii, nu pot genera putere activă.

(5.2.1)

(5.2.2)

(5.2.3)

(5.2.4)

unde Is este valoarea efectivă a curentului de fază și Is1 este valoarea efectivă a

fundamentalei sale. În consecință:

(5.2.5)

Din analiza comparativă a curenților absorbiți din rețeaua de alimentare în cele două situații (Fig. 5.3 și Fig. 5.5) rezultă că, în cazul redresorului monofazat, curentul de fază este cu mult mai distorsionat față de situația redresorului trifazat, ceea ce duce și la obținerea unui factor de putere mai mic.

Fig. 5.5 Tensiunea și curentul de fază pentru cazurile: id – discontinuu și continuu.

5.3. Efectele negative ale utilizării redresoarelor necomandate

Din expunerea anterioară, putem să deducem că folosirea pe scară tot mai mare a redresoarelor necomandate cu diode, are drept consecință negativă majoră creșterea “poluării armonice”. În etapa actuală, utilizarea intensivă a electronicii de putere impune redefinirea modalităților de calcul pentru puterea și energia absorbită de consumatori, și în paralel cu aceasta, elaborarea de noi standarde referitoare la această problemă. Sistemul energetic poate funcționa adecvat în prezența unei ‘cantități’ limitate de armonici. Până nu de mult injectarea armonicilor în sistem putea fi considerată nesemnificativă. În prezent, însă, dependența din ce în ce mai mare a consumatorilor de echipamentele cu caracteristici neliniare face ca acest fenomen să nu mai poată fi neglijat. Introducerea de armonici în sistemul de alimentare cu energie electrică nu este singura problemă, însăși echipamentele electrice pot fi defectate datorată prezenței acestora.

Prezența armonicilor în sistemul de alimentare cu energie electrică poate genera o gamă largă de efecte nedorite. De exemplu, armonicile pot cauza interferența semnalelor, supratensiuni, pierderi de date în liniile de transmisie a informațiilor (se știe că prezența armonicilor este responsabilă pentru apariția zgomotului în liniile telefonice). De asemenea armonicile pot genera supraîncălzirea, funcționare neadecvată sau chiar defectarea echipamentului electric în general. Armonicile pot cauza încălzirea excesivă a transformatoarelor și condensatoarelor, ceea ce duce la reducerea timpului de viață a acestor dispozitive sau la defectarea lor. Un alt efect este și încălzirea motoarelor electrice și producerea unui cuplu pulsatoriu.

Prezența armonicilor în sistemul de alimentare duce la pierderi de putere generale, reducerea eficienței motoarelor de curent alternativ, creșterea costului de întreținere. Se știe că orice sistem electric de alimentare posedă o frecvență naturală

corespunzătoare inductivității conductoarelor și capacității bateriilor de condensatoare folosite pentru compensarea puterii reactive. Din nefericire această frecvență se află în gama frecvențelor armonicilor superioare cauzate de echipamentele neliniare. În cazul când aceste frecvențe sunt apropiate ca valoare, apare fenomenul de rezonanță, ce poate amplifica efectele negative mai sus menționate.

În condiții de rezonanță, oscilațiile curentului sunt amplificate. Astfel, amplitudinea unor armonici de curent poate crește, uneori, până la valoarea fundamentalei. Rezultatul fenomenului de rezonanță în sistem este: apariția de supratensiuni, productivitate scăzută, blocarea convertoarelor, defecțiuni ale echipamentului electric.

Amplitudinea și ordinul componentelor armonice prezente în sistem, depind de o serie de factori: sursa de armonici, nivelul de putere al sistemului, funcționarea sistemului în regim normal sau de rezonanță. Chiar și armonicile produse de o singură instalație pot varia în funcție de regimul de lucru al acesteia. De exemplu, un cuptor cu arc electric poate produce tensiuni armonice ce variază între 8% și 25% din valoarea fundamentalei. În sistemele electrice de alimentare a calculatoarelor, au fost înregistrate armonici de curent cu valori între 5.5% și 140% din amplitudinea fundamentalei.

Ordinul armonicilor de curent produse de convertoare depinde de numărul de pulsuri la care funcționează acestea. Utilizând analiza Fourier a formei de curent, s-a determinat că armonicele au componente de ordinul:

(5.3.1)

unde k este un întreg, p – numărul de pulsuri al convertorului. Ca o consecință directă, un convertor cu 6 pulsuri produce armonici impare însă doar cele indivizibile cu trei.

Sarcinile neliniare pot produce de asemenea și armonici multiplu de 3. Acestea necesită o atenție deosebită, deoarece duc la apariția unui curent în conductorul de nul, care uneori poate depăși în amplitudine curentul de fază. Astfel de sarcini sunt, de exemplu, cuptoarele cu arc electric, care în regim normal de funcționare produc armonici de curent de ordinul trei cu o amplitudine de 20% din fundamentală.

În urma măririi numărului echipamentelor electronice de putere, însoțite de toată gama de efecte auxiliare nedorite enunțate mai sus, diferite organisme naționale și internaționale au emis recomandări privind limitarea armonicelor de curent injectate în rețea, aceasta pentru a menține o calitate acceptabilă a rețelei de alimentare. De exemplu, Comitetul European de Standardizare în Electrotehnică, CENELEC, a emis standardul EN50006 iar Comisia Electrotehnică Internațională normativul CEI555-3.

Recomandări privind limitarea armonicelor sunt conținute și în standardele germane: VDE0838 (aplicații casnice), VDE0712 (bobine de ‘balast’ pentru lămpile fluorescente), VDE0160 (convertizoare).

În standardul american IEEE 519 se specifică precis conținutul de armonici permis pentru utilizatorul unui echipament electronic de putere. Valoarea relativă a sarcinii față de sursă este definită ca raportul dintre curentul de scurtcircuit în punctul comun de racordare (Fig. 5.6) și curentul de sarcină ISC/IL. Prevederile privind raportul Ih/I1 sunt redate în Tabelul 1. [3]

Fig. 5.6 Interfața echipamentului electronic cu rețeaua de alimentare.

Tabelul 1 Distorsiuni de curent maxim admisibile în punctul de racord (PCC) pentrurețele 0.12 … 70 Kv

6. FILTRE ACTIVE DE PUTERE

6.1. Metode de compesare a armonicilor

Tehnicile pentru reducerea armonicilor pot fi clasificate, în sens larg, conform Fig. 6.1.

Fig. 6.1. Tehnici pentru reducerea armonicilor.

Filtrele active sunt convertoare statice de putere, care pot îndeplini diverse funcțiuni. Schemele de filtrare actuale permit sintetizarea oricărei forme de curent cu componente armonice de frecvențe relativ ridicate, suficiente pentru cele mai multe cazuri practice și la niveluri de putere din ce în ce mai mari.

Este necesară dezvoltarea de soluții pentru compensarea armonicilor de curent și tensiune. Aceste soluții sunt reprezentate de filtre pasive si filtre active.

Filtrele active de putere se amplasează în stațiile de distribuție de joasă tensiune la care sunt conectați consumatorii importanți de putere reactiva și deformantă și realizează îmbunătățirea parametrilor energiei electrice, făcând să se absoarbă din rețea practic numai putere activă.

Aceeași electronică de putere ce cauzează deformarea tensiunii și curentului preluat de la rețeaua de alimentare poate fi utilizată, evident cu alt tip de comandă, pentru îmbunătățirea formei acelorași tensiuni și aceluiași curent.

6.2. Mijloace pentru limitarea emisiei perturbatoare sub formă de armonici

Consumatorul industrial poate opta în principiu pentru una din următoarele soluții:

(i) renunță la echipamentele care absorb curent distorsionat și investește în echipamente noi, care conțin circuite de corectare, astfel încât curentul absorbit este sinusoidal și în fază cu tensiunea rețelei sau

(ii) păstrează echipamentele din dotare și investește în mijloace pentru limitarea emisiei perturbatoare sub formă de armonici, care vor funcționa împreună cu echipamentele existente: filtre active, pasive sau hibride.

Termenul “filtru activ de putere” are un caracter larg și se aplică unei categorii de circuite electronice de putere care înglobează dispozitive semiconductoare de putere și elemente pasive pentru stocarea energiei -inductanțe sau condensatoare. Funcțiile filtrelor pot fi diferite, în funcție de aplicație. Există două configurații posibile, în funcție de tipul sarcinii – echilibrate sau nu pe cele trei faze. Pentru sarcini echilibrate se folosește un filtru trifazat, care funcționează astfel încât să elimine armonicile într-o măsură cât mai mare. Pentru sarcini dezechilibrate se preferă utilizarea a trei compensatoare monofazate, dar există și structuri cu patru brațe, cu dezavantajul că încărcarea brațului de nul este de obicei mai mare decât a celorlaltor trei brațe.

6.3. Filtrele active

Reprezintă o noua soluție tehnică ce permite ca electronica de putere ce cauzează deformarea tensiunii și curentului preluat de la rețeaua de alimentare poate fi utilizată, evident cu alt tip de comandă, pentru îmbunătățirea formei acelorași tensiuni și aceluiași curent.

Exista doua tipuri constructive de filtre active:

– fără buclă de reacție

cu buclă de reacție

Fig. 6.2. Controlul curentului fără buclă de reacție.

Fig 6.3. Controlul curentului cu buclă de reacție.

Avantaje în cazul filtrului fară buclă de reacție:

– precizie bună

– sistem de control ușor de realizat

– preț de cost scăzut

Avantaje în cazul filtrului cu buclă de reacție:

– precizie superioară

-siguranță mai mare

Dezavantaje:

– complicarea sistemului de control

– utilizat pentru îmbunătățirea factorului de putere al întregii rețele

– nu este potrivită pentru utilizatori individuali deoarece puterea necesară este

mare.

În Fig. 6.4. este prezentat circuitul de bază a unui filtru activ.

Fig. 6.4. Schema de putere.

În Fig. 6.4. este prezentat circuitul de forță al unui filtru activ. Acesta este un convertor comandat compus dintr-un circuit de curent continuu cu condensatoare și dintr-o punte cu trei brațe cu tiristoare și diode de regim liber. Conectarea la rețeaua de curent alternativ se face printr-un filtru trece jos. Fiecare braț este comandat cu o frecvență cuprinsă între 5 – 10 KHz. Filtru trece jos realizează izolarea acestei frecvențe de frecvența rețelei.

6.4. Amplasarea filtrelor active

Filtrele de armonici se pot amplasa la utilizator sau la furnizorul de energie electrică. Filtrele de la furnizorii de energie sunt de puteri mari și, deocamdată, în cele mai multe cazuri, este vorba de filtre pasive. Utilizatorii pot amplasa filtrele (i) în PCC, de unde se preia o informație globală de curent; astfel se pot compensa armonicile generate de ansamblul echipamentelor instalate la utilizator (compensare globală); o altă variantă de amplasare, preferată în unele cazuri de utilizator, este (ii) situarea filtrului activ în punctul de racord al unui consumator important, generator de armonici de curent; informația de curent preluată de aici permite compensarea armonicilor acelui consumator (compensare individuală).

Pentru a rezolva problemele legate de proliferarea echipamentelor generatoare de armonici, furnizorii de energie stimulează din ce în ce mai mult consumatorii industriali importanți să ia măsuri în conformitate cu reglementările adoptate sau în curs de adoptare. Deși reglemetările pentru acești consumatori (IEEE 519, CEI/TS 61000-3-6) se aplică numai la PCC – interfața dintre consumator și furnizorul de energie – în ultima vreme se observă o

tendință de aplicare a acestor standarde ca specificații de produs, ceea ce este, desigur, o abordare greșită. Dar tendința este suficient de puternică pentru a determina unii producători de echipamente să includă filtre active în instalațiile generatoare de armonici, astfel încât comportarea globală a instalațiilor să se îmbunătățească. Pentru a justifica creșterea simțitoare a prețurilor, producătorii anunță facilități suplimentare, în afară de compensarea

armonicilor: protecția împotriva căderilor temporare de tensiune, compensarea flickerului, compensarea puterii reactive, amortizarea fenomenelor de rezonanță.

6.5. Modul de conectare și topologia filtrelor active

Modul de conectare joacă un rol extrem de important în alegerea aplicației. Circuitul de putere se poate conecta în două moduri de bază: în paralel sau în serie.

6.5.1 Filtrul paralel

Structura paralelă (fig. 6.5.) este cea mai răspândită. Filtrul activ compensează conținutul de armonici al curentului de sarcină, care ar fi fost injectat în rețeaua de alimentare în lipsa compensării. In funcție de structură și de modul de comandă, această topologie are posibilitatea de a realiza compensarea puterii reactive și echilibrarea curenților pe cele trei faze.

Filtrul conduce doar curentul de compensare (plus un adaos nesemnificativ pentru compensarea pierderilor din sistem); acesta este un avantaj extrem de important al conectării în paralel. Totodată, mai multe unități de acest tip se pot conecta în paralel, pentru a obține o creștere a puterii totale a sistemului. Astfel de filtre se implementează cu invertoare de tensiune comandate în curent.

Fig. 6.5. Filtru activ conectat în paralel.. Fig. 6.6. Filtru activ conectat în serie.

6.5.2. Filtrul serie

Filtrul activ din fig. 6.6. este conectat în serie cu sarcina neliniară, prin intermediul unui transformator; de remarcat că utilizarea transformatorului nu este facultativă, ci este obligatorie, intrinsecă acestei topologii. Strategia de comandă a filtrului serie urmărește să producă o astfel de tensiune în primarul transformatorului, care – adăugată la / scăzută din tensiunea de alimentare – asigură o tensiune pur sinusoidală la bornele sarcinii. Astfel de filtre se implementează cu invertoare de tensiune fără buclă de curent. Dezavantajul principal al filtrelor serie este că trebuie să conducă tot curentul de sarcină.

In plus față de structura paralel este necesar un element costisitor și cu dimensiuni ancombrante: transformatorul de adaptare.

Nu în ultimul rând, sunt necesare măsuri speciale de protecție în caz de scurtcircuit al sarcinii. Structura serie este menționată în literatură, dar nu există informații despre sisteme industriale realizate în acest mod.

6.6. Combinații de filtre

Un interes aparte îl prezintă combinația dintre filtrul activ paralel și filtrul pasiv paralel. Filtrul pasiv din fig. 6.7. se proiectează astfel încât să se elimine în mare măsură armonicele joase – de exemplu 5, 7, 11, 13 – care au o pondere importantă, iar filtrul activ este dimensionat pentru un curent nominal mai redus, deoarece trebuie să elimine doar restul spectrului nedorit al curentului de sarcină . O asemenea structură permite scăderea costurilor în abordarea aplicațiilor de putere medie, dar numărul și dimensiunile componentelor de putere necesare reprezintă un dezavantaj. De asemenea, din cauza structurii fixe a filtrului pasiv, soluția este adecvată pentru sarcini al căror spectru este cunoscut și studiat în prealabil. Adăgarea ulterioară a unor consumatori (noi investiții) poate conduce la supraîncărcarea filtrului pasiv.

Filtrul activ din fig. 6.8. se instalează în serie cu bateria de condensatoare pentru compensarea puterii reactive sau cu un filtru pasiv. Topologia filtrului activ este de invertor de tensiune cu comandă în curent. Avantajul principal al acestei configurații constă în dimensionarea dispozitivelor semiconductoare la un nivel de patru ori mai redus decât într-un filtru activ paralel echivalent; filtrul pasiv (filtre acordate pe armonicile 5 și 7 în structura descrisă în sau filtrul format de inductivitatea de magnetizare a transformatorului, împreună cu bateria de condensatoare, în structrura descrisă în) degrevează în mare măsură filtrul activ.

Fig. 6.7. Combinație filtru activ paralel – filtru pasiv Fig. 6.8. Filtru activ în serie cu filtrul paralel. pasiv paralel

6.7. Filtre pasive

Filtrele pasive au in componenta elemente reactive de circuit in configuratie serie-paralel.

Soluția cu filtre pasive prezintă următoarele caracteristici:

– doar o singură armonică poate fi filtrată de o unitate de filtru

– gradul de filtrare este dat de relațiile între impedanțe

– curentul absorbit de filtru nu este controlabil

– filtrul generează putere reactivă

Consecințe:

– configurația rețelei trebuie cunoscută bine

– schimbările în configurația rețelei pot crea probleme

– generarea puterii reactive privită ca:

– avantaj

– dezavantaj

– complicație pentru control

Ca urmare filtrul pasiv nu prezintă o rezolvare optimă a acestor probleme,de fiecare dată ne dorim ceva apropiat de un filtrul ideal, ce trebuie să aibă următoarele caracteristici:

– să nu se supraîncarce

– să fie ușor de extins și modificat

– gradul de filtrare să fie independent de rețea

– filtrarea să fie independentă de generarea de puterea reactivă

– să se poată selecta gradul de filtrare

– să se poată selecta armonicile care trebuie filtrate

6.8. Utilizarea filtrelor inductive pentru reducerea regimului deformant

Un consumator deformant, conectat la o rețea de alimentare, produce o distorsiune a formei de undă a tensiunii în punctul de conectare, datorată căderii de tensiune pe impedanța de scurtcircuit a sursei :

(6.8.1)

În acest fel, consumatorii nedeformanti sunt încarcați, prin intermediul armonicilor de tensiune, cu o putere deformantă pe care nu o “consumă”. Consumatorul deformant determină scaderea calității puterii vehiculate și poate produce funcționarea incorectă a altor consumatori și a rețelei. Convertizoarele de frecvență se alimentează printr-un redresor trifazat în punte completă, cu șase pulsuri, legat la rețea printr-un filtru inductiv, filtrajul tensiunii redresate realizându-se prin intermediul unor condensatoare electrolitice (fig.6.9.) :

Fig. 6.9. Schema redresorului din componenta convertizoarelor.

Tiristoarele din componență redresorului au rol doar la conectarea alimentării, pentru a limita curentul de încărcare al filtrului capacitiv. Teoretic, armonicile superioare de curent

introduse de către redresorul din fig. 6.9. sunt:

(6.8.2)

Nivelul fiecarei armonici este dependent, în aceasta configuratie, de curentul absorbit de redresor si de valoarea inductantelor de filtraj. În acest sens se defineste valoarea raportată a

impedanței de intrare, neglijând componetele rezistive, astfel :

(6.8.3)

în care L este inductanța totală de intrare (linie+transformator+inductanța de filtraj), f este

frecvența tensiunii de alimentare, I1 reprezinta valoarea efectivă a fundamentalei curentului

absorbit de redresor, iar VL este tensiunea de linie.

Literatura de specialitate, ca și specificațiile unor firme producatoare de echipamente cu

electronică de putere și elemente de filtrare, furnizează informații sintetice asupra nivelurilor

teoretice calculate ale armonicilor, funcție de valoarea impedanței totale de intrare fig. 6.10 : [5]

Fig. 6.10. Nivelul teoretic al armonicilor funcție de Z.

7.SIMULAREA REGIMULUI DEFORMANT LA REDRESOARELE NECOMANDATE

7.1. Simularea regimului deformant al redresorului monofazat

Evaluarea regimului deformant la redresorului monofazat se realizează prin simulare în programul PSIM. Schema de simulare este dată în figura 7.1

Fig. 7.1. Simularea redresorului monofazat

Analiza regimului deformant s-a realizat pentru 2 configurații ale schemei:

a) Formele de undă pentru prima configurație a schemei s-au realizat pentru următoarele valori:

– tensiunea de alimentare : U1 = 220 [V]

– valoarea capacității : C1 = 470 [μF]

-valoarea sarcinii : R1 = 225 [Ω]

– variația curentului de la intrarea redresorului

Fig. 7.2. Variația curentului de la intrarea redresorului

– spectrul armonicilor de curent

Fig.7.3. Spectrul armonicilor de curent

– spectrul armonicilor de tensiune

Fig.7.4. Spectrul armonicilor de tensiune

b) Formele de undă pentru a doua configuratie a schemei s-au realizat pentru următoarele valori:

– tensiunea de alimentare : U1 = 220 [V]

– valoarea capacității : C1 = 470 [μF]

-valoarea sarcinii : R1 = 1 [kΩ]

variația curentului de la intrarea redresorului

Fig. 7.5. Variația curentului de la intrarea redresorului

– spectrul armonicilor de curent

Fig.7.6. Spectrul armonicilor de current

– spectrul armonicilor de tensiune

Fig.7.7. Spectrul armonicilor de tensiune

7.2. Simularea regimului deformant al redresorului trifazat

Evaluarea regimului deformant la redresorului trifazat realizată în programul PSIM este dată în figura 7.8.

Fig. 7.8. Simularea redresorului trifazat

Analiza regimului deformant s-a realizat pentru 2 configurații:

a) Formele de undă pentru prima configuratie a schemei s-au realizat la un redresor fara filtru la intrare având următoarele valori:

– tensiunea de alimentare : U1 = 400 [V]

– valoarea capacității : C1 = 470 [μF]

-valoarea sarcinii : R1 = 28 [Ω]

-valoarea inductanței: L1 = 4 [mH]

Formele de undă pentru prima configurație sunt reprezentate în figurile de mai jos:

– variația curentului de la intrarea redresorului

Fig. 7.9. Variația curentului de la intrarea redresorului

– spectrul armonicilor curentului de faza

Fig.7.10. Spectrul armonicilor de curent de pe prima fază

-spectrul armonicilor tensiunii de fază

Fig.7.11. Spectrul armonicilor tensiunii de fază

-spectrul armonicilor tensiunii de linie

Fig.7.12. Spectrul armonicilor tensiunii de linie

b) Formele de undă pentru a doua configurație a schemei s-au realizat la un redresor cu filtru la intrare având următoarele valori:

– tensiunea de alimentare : U1 = 400 [V]

– valoarea capacității : C1 = 470 [μF]

-valoarea sarcinii : R1 = 17 [Ω]

-valoarea inductanței: L4 = 4 [mH]

-valoarea inductanței de filtrare : L1 = 1.5 [mH]

Evaluarea regimului deformant la redresorului trifazat realizată în programul PSIM este dată în figura 7.13.

Fig. 7.13. Simularea redresorului trifazat cu filtru inductiv la intrare

Formele de undă pentru a doua configurație sunt reprezentate în figurile de mai jos:

– variația curentului de la intrarea redresorului

Fig. 7.14. Variația curentului de la intrarea redresorului

– spectrul armonicilor de curent de pe prima fază

Fig.7.15. Spectrul armonicilor de curent de pe prima fază

-spectrul armonicilor tensiunii de fază

Fig.7.16. Spectrul armonicilor tensiunii de fază

-spectrul armonicilor tensiunii de linie

Fig.7.17. Spectrul armonicilor tensiunii de linie

8.REZULTATE EXPERIMENTALE

8.1. Regimului deformant al redresorului monofazat

a) Rezultate experimentale pentru prima configurație :

Regimului deformant se studiază folosind analizatorul de putere FLUKE 434 POWER QUALITY ANALYZER având următoarele date:

Puterea activă: P = 0.34 [kW]

Puterea reactivă: Q = 0.54 [kVAr]

Puterea aparentă: S = 0.64 [kVA]

Factorul de putere: PF = 0.53

ARMS = 2.6 [A]

VRMS = 242 [V]

Formele de undă obținute sunt reprezentate în figurile de mai jos:

– variația tensiunii de alimentare

Fig. 8.1. Variația tensiunii de alimentare

– variația curentului de la intrarea redresorului

Fig. 8.2. Variația curentului de la intrarea redresorului

Factorul de distorsiune armonică totală pentru aceasta configurație are următoarea valoare:

THD = 154.7 [%]

– spectrul armonicilor de curent

Fig.8.3. Spectrul armonicilor de curent

– spectrul armonicilor de tensiune

Fig.8.4. Spectrul armonicilor de tensiune

b) Rezultate experimentale pentru a doua configurație:

Regimului deformant se studiază folosind analizatorul de putere FLUKE 434 POWER QUALITY ANALYZER având următoarele date:

Puterea activă: P = 0.64 [kW]

Puterea reactivă: Q = 1.07 [kVAr]

Puterea aparentă: S = 1.25 [kVA]

Factorul de putere: PF = 0.51

ARMS = 5.2 [A]

VRMS = 241 [V]

– variația tensiunii de alimentare

Fig. 8.5. Variația tensiunii de alimentare

– variația curentului de la intrarea redresorului

Fig. 8.6. Variația curentului de la intrarea redresorului

– spectrul armonicilor de curent

Fig.8.7. Spectrul armonicilor de curent

– spectrul armonicilor de tensiune

Fig.8.8. Spectrul armonicilor de tensiune

8.2. Regimului deformant al redresorului trifazat

a) Rezultate experimentale pentru prima configurație :

Regimului deformant se studiază pe un motor trifazat, având puterea nominala la arbore Pn = 10 [kW] fară filtru la intrarea redresorului. Formele de undă se obțin folosind analizatorul de putere FLUKE 434 POWER QUALITY ANALYZER , fiind reprezentate în figurile de mai jos:

– variația tensiunii de fază

Fig. 8.9 Variația tensiunii de fază

– variația tensiunii de linie

Fig. 8.10 Variația tensiunii de linie

– variația curentului de la intrarea redresorului

Fig. 8.11. Variația curentului de la intrarea redresorului

– spectrul armonicilor de curent

Fig.8.12. Spectrul armonicilor de curent de pe prima fază

Fig. 8.13. Spectrul armonicilor de curent de pe a doua fază

Fig. 8.14. Spectrul armonicilor de curent de pe a treia fază

-spectrul armonicilor tensiunii de linie

Fig.8.15. Spectrul armonicilor tensiunii de pe prima linie

Fig.8.16. Spectrul armonicilor tensiunii de pe a doua linie

Fig.8.17. Spectrul armonicilor tensiunii de pe a treia linie

-spectrul armonicilor tensiunii de fază

Fig.8.18. Spectrul armonicilor tensiunii de pe prima fază

Fig.8.19. Spectrul armonicilor tensiunii de pe a doua fază

Fig.8.20. Spectrul armonicilor tensiunii de pe a treia fază

b) Rezultate experimentale pentru a doua configurație :

Regimului deformant se studiază pe un motor trifazat, având puterea nominala la arbore Pn = 10 [kW] cu filtru având inductanța de L = 1.5 [mH] la intrarea redresorului. Formele de undă se obțin folosind analizatorul de putere FLUKE 434 POWER QUALITY ANALYZER , fiind reprezentate în figurile de mai jos:

– variația tensiunii de fază

Fig. 8.21. Variația tensiunii de fază

– variația tensiunii de linie

Fig. 8.22 Variația tensiunii de linie

– variația curentului de la intrarea redresorului

Fig. 8.23. Variația curentului de la intrarea redresorului

– spectrul armonicilor de curent de pe prima fază

Fig.8.24. Spectrul armonicilor de curent de pe prima fază

Fig.8.25. Spectrul armonicilor de curent de pe a doua fază

Fig.8.26. Spectrul armonicilor de curent de pe a treia fază

-spectrul armonicilor tensiunii de fază

Fig.8.27. Spectrul armonicilor tensiunii de pe prima fază

Fig.8.28. Spectrul armonicilor tensiunii de pe a doua fază

Fig.8.29. Spectrul armonicilor tensiunii de pe a treia fază

-spectrul armonicilor tensiunii de linie

Fig .8.30. Spectrul armonicilor tensiunii de pe prima linie

Fig .8.31. Spectrul armonicilor tensiunii de pe a doua linie

Fig .8.32. Spectrul armonicilor tensiunii de pe a treia linie

9. CONCLUZII

În lucrarea de față sunt prezentate o serie de probleme ce vizează calitatea energiei

electrice și posibilitățile de rezolvare a acestora.

Din ce în ce mai mult, componentele electronice de putere cum ar fi redresoarele, surse

în comutație și convertoare de frecvență sunt folosite în toate ariile de activitate. Primul grup de dispozitive influențează calitatea tensiunii electrice, celălalt grup de dispozitive sunt foarte sensibile la reducerea calității energiei electrice de alimentare.Există, deasemenea, si alte fenomene care duc la slăbirea calității energiei electrice cum ar fi efectele de comutație produse de convertoare cu tiristoare, armonici datorate sarcinilor neliniare cum ar fi redresoarele, surse în comutație, efectul de flicker datorat sarcinilor fluctuante ce apar la închiderea/deschiderea contactoarelor, pornirea motoarelor, mașini cu rezistență ridicată, aparate de sudură, etc.

Sarcinile neliniare deformează curentul de la rețea chiar dacă tensiunea de alimentare

este sinusoidală. Acestea provoacă pe de o parte pierderi suplimentare prin efect Joule, pe de

alta parte conduc la o funcționare incorectă a protecțiilor si datorita căderilor de tensiune pe

impedanțele de scurtcircuit deformează tensiunea la bornele condensatorului si poluează

mediul cu emisii electromagnetice de frecventă ridicată.

Deformarea tensiunii duce pe de o parte la apariția unor fenomene ce pot periclita

funcționarea convertoarelor electrice bazate pe întârzierea unghiului de aprindere, pe de altă

parte există pericolul ca condensatoarele de compensare a factorului de putere si impedanța

rețelei să se comporte ca circuite rezonante serie (datorită tensiunii) ceea ce duce la apariția de

curenți mari ce pot provocă distrugerea instalației și scoaterea consumatorilor din sistem.

Ca urmare este necesară dezvoltarea de soluții pentru compensarea armonicilor de curent și tensiune.

Soluțiile pentru compensarea armonicilor de curent și tensiune sunt reprezentate de filtre pasive si filtre active. Soluția cu filtre pasive prezintă anumite caracteristici precum faptul că doar o singură armonică poate fi filtrată de o unitate de filtru, gradul de filtrare este dat de relațiile dintre impedanțe, curentul absorbit de filtru nu este controlabil, filtrul generează putere reactivă. Ca urmare configurația rețelei trebuie cunoscută bine, schimbările în configurația acesteia pot crea probleme.

Evaluarea regimului deformant se realizează prin simulare în programul PSIM la un redresorului monofazat și la unul trifazat. Simularea regimului deformant pentru redresorul monofazat s-a efectuat pentru două încărcări diferite ale sarcinii. La redresorul trifazat, în prima faza regimul deformant se studiaza fară filtru la intrarea redresorului. Prin introducerea unui filtru la intrarea redresorului, în cea de-a doua fază, se poate observa efectul benefic al acestuia asupara armonicilor.

În partea finală a lucrarii sunt prezentate rezultatele experimentale obtinute în urma măsurătorilor efectuate pe cele două redresoare .Prelevarea datelor se face cu ajutorul analizatorului de putere FLUKE 434 POWER QUALITY ANALYZER.

BIBLIOGRAFIE

[1] C.Golovanov (coord.), M.Albu (coord.) “Probleme moderne de măsurare în electroenergetică” Ed. Tehnică, 2001

[2] M. Chindris, A. Sudria “Poluarea armonica a retelelor electrice industriale ”, Ed.Mediamira, Cluj-Napoca 1999

[3] F. Ionescu, D. Floricău, S. Nițu, D. Fodor, E. Millent ș.a. “Electronică de putere. Modelare și simulare”. Ed. Tehnică, Buc. 1997

[4] Peng F. Z., Akagi H., and Nabae A. (1990). “A New Approach to Harmonic Compensation in Power Systems – A Combined System of Shunt Passive and Series Active Filters”, IEEE Transactions on Industrial Applications, Vol. IA-26, No. 6, pp. 983-990

[5] L. M. Tolbert, H. D. Hollis, P. S. Hale Jr., Survey of Harmonics Mesurements in Electrical

Distribution System, IEEE IAS Annual Meeting, Oct. 6-10, 1996, San Diego, CA, pp. 2333-2339;

[6] Chapman D. – Harmonics Causes and Effects – Copper Development Association March 2001 http://www.cda.org.uk/megab2/elecapps/pub501/31_lo_R2.pdf

[7] Harmonics in Practice – http://www.efficient-transformers.org/Files/harmonics.pdf