Managementul Compensarii Poluarii Armonice In Sistemele de Alimentare cu Energie Electrica

Capitolul 1

Introducere

1.1. Aspecte generale privind producția transportul și distribuția energiei electrice.

Energia electrica este produsă în centrale electrice, care reprezintă un complex de instalații care transforma o formă primara de energie in energie electrica. Procesul de transformare a energiei primare in energie electrică este realizat de urmatoarele tipuri de centrale:

Centrale termoelectrice ;

Centrale hidroelectrice ;

Centrale nuclearo-electrice.

Centralele termoelectrice folosesc ca energie chimica primara combustibil gazos (gaze naturale), carbune sau combustibil lichid (pacura). Aceste centrale sunt formate din turbine care transformă energia chimica în agent termic (abur) punând in mișcare generatoarele electrice ce produc energia electrica la o tensiune de 6 Kv. Dupa felul energiei livrate, centralele termoelectrice se clasifica in doua categorii:

centrale termoelectrice cu condensație – produc numai energie electrica si termica

centrale electrice de termoficare – cu producere combinata de energie termica

Dupa tipul motorului termic distingem urmatoarele tipuri de centrale:

centrale termoeletrice cu turbine cu abur;

centrale termoelectrice cu turbine cu gaz ;

centrale termoelectrice cu motoare cu ardere internă.

Centralele hidroelectrice folosesc ca sursă primară energia hidraulică potentială și cinetică a caderilor de apă naturală sau artificială pentru producerea energiei electrice. Curentul de apă acționează turbina hidraulică care la rândul ei acționează generatorul electric producator de energie electrica.

Centralele hidroelectrice se clasifica din punct de vedere al schemelor de amenajare in:

centrale hidroelectrice fără acumulare – construite pe cursul apei cu debite mari;

instalatii hidroelectrice cu acumulare – instalate in derivație cu cursul natural al apei;

Centralele nuclearo-electrice folosesc ca sursă primara de energie, energia degajată, ca sursă de caldura, în reacțiile de fisiune nucleară care au loc in reactoarele nucleare. În reactoarele nucleare se folosesc drept combustibili urmatoarele materiale: uraniu natural, uraniu imbogatit.

Energia electrică produsa de generatoarele din centralele enumerate mai sus la o tensiune de 6 Kv este transmisa in stațiile de transformare care o ridică la o tensiune de transport de 220 – 400 Kv. Transportul energiei electrice de la un punct la celalalt se face cu ajutorul rețelelor electrice.

Stațiile electrice de transformare cuprind ansambluri de instalații electrice care indeplinesc urmatoarele funcții:

modifică parametrii puterii electrice, corespunzator condițiilor de transport si utilizare a energiei electrice;

conectează doua sau mai multe surse de energie electrica ;

conectează doua sau mai multe linii electrice de alimentare.

Stațiile electrice de transformare sunt de doua tipuri:

stații electrice ridicătoare de tensiune – care se ansambleaza in incinta centralelor și ridica tensiunea de la 6 Kv la 220 – 400 Kv ;

stații electrice coborâtoare de energie – în care tensiunile de 220 – 400 Kv sunt coborâte la tensiunea de 110 Kv.

Stațiile de transformare de 110 Kv /20 sau 10 Kv se numesc stații de distribuție a consumatorilor din zona respectivă.

Energia electrica produsă în centrale electrice este transmisă spre consumatori prin rețele electrice constituite din: linii electrice, stații de transformare, stații de conexiuni, posturi de transformare.

Transmiterea energiei electrice către consumatori se face la diferite nivele de tensiune stabilite pe baza unor criterii tehnico – economice ținând seama de pierderile de energie precum si de valoarea investițiilor.

Din punct de vedere al scopului pentru care au fost construite se pot distinge doua categorii de rețele electrice:

rețele de transport ;

rețele de distribuție.

Rețelele de transport a energiei electrice au rolul de a stabili legături între centralele electrice și stațiile de transformare precum și între stațiile de transformare din sistemul energetic național. Aceste rețele au tensiuni înalte și foarte înalte de 110, 220, 400 Kv. Ele se construiesc pe stalpi metalici sau din beton armat având conductoarele active din otel-aluminiu pe care se transportă energia electrică si unul sau două conductoare de protectie din otel sau otel–aluminiu pentru protejarea conductoarelor active contra descărcărilor atmosferice.

Rețelele electrice de distribuție au rolul de a face legătura între stațiile de transformare, punctele de alimentare și posturile de transformare. Se construiesc pentru tensiuni între 6 – 35 Kv pentru distribuția în mediu rural și 6 – 10 Kv pentru mediu urban. În cazul cererii mari de putere se poate folosi și tensiunea de 110 Kv pentru distribuție. Aceste rețele au o configurație mai complexa și asigură vehicularea unor puteri relativ reduse pe distanțe mai scurte și la un ansamblu limitat de consumatori. Din punct de vedere constructiv rețelele electrice de distribuție se realizează sub formă de :

linii electrice aeriene (LEA) montate pe stalpi ;

linii electrice subterane (LES) montate subteran .

Posturile de transformare sunt puncte de alimentare care coboara tensiunea de la 20 la 0.4 Kv pentru a asigura consumatorilor energia electrica necesară în condiții de siguranță atât în regim normal de funcționare cât și în regim de avarie. Posturile de transformare sunt de mai multe tipuri:

posturi de transformare aeriene – care sunt montate pe stâlpi, si au puteri de pâna la 250 KvA ;

posturi de transformare in cabină metalică – cu puteri de până la 1000 KvA;

posturi de transformare in cabină zidită – cu puteri de până la 1600 KvA.

Capitolul 2

Calitatea energiei electrice și apariția

fenomenului de poluare armonică

2.1.Calitatea energiei electrice

Aspectele legate de calitatea energiei electrice furnizate consumatorilor au preocupat specialiștii înca din primii ani ai utilizării pe scară largă a curentului alternativ; în ultimele două decenii se constată însä o revigorare a interesului pentru acest domeniu datorită dezvoltării explozive a echipamentelor și tehnologiilor bazate pe electronica de putere, creșterii sensibilitătii receptoarelor la perturbațile tensiunii de alimentare precum și a conștientizării din ce în ce mai acute a faptului că energia electrică este un produs ca oricare altul.

Calitatea energiei electrice constituie în prezent o preocupare majoră atât pentru distribuitorii cât și pentru utilizatorii acestei forme de energie. Termenul de calitate a energiei electrice (power quality) a devenit deosebit de popular dupa anul 1980 și reprezintă un generic acoperitor pentru o multitudine de perturbații electromagnetice ce pot apărea în sistemele de distribuție electroenergetice (în special de medie și joasa tensiune). Totuși este necesar să menționăm că sintagma de calitate a energiei electrice nu este unanim acceptată si utilizată pe plan mondial, existând în prezent mai mulți termeni folosiți pentru a descrie relația furnizor de energie electricä – utilizator, inclusiv influențele reciproce. Dintre aceștia, Comisia Internațională de Electrotehnică (CEI) îl promovează pe acela de compatibilitate electromagnetică, termenul fiind preluat de toate tările afiliate la acest organism.

Interesul crescând, manifestat in ultima perioada pentru problematica amintită este explicat de specialiști prin apariția următoarelor aspecte.

1.Echipamentele au devenit mai sensibile la perturbațiile tensiunii de alimentare. Într-adevär, în special generațiile actuale de echipamente electronice (casnice sau industriale) și sisteme de comandă ale proceselor tehnologice sunt mult mai sensibile decât echipamentele de acum 10 sau 20 de ani. În acelasi timp, companiile industriale au devenit mai atente la pierderile de timp de producție având în vedere marginile de profit reduse caracteristice economiei moderne.

În ceea ce privește piața consumatorilor casnici, electricitatea este consideratä, din ce în ce mai mult, ca un drept fundamental de care se poate beneficia in permanența. Consecința este că orice întrerupere în alimentarea cu energie electrică va conduce la reclamații mereu mai mari, chiar dacă nu se constată pierderi legate de aceastä întrerupere.

2.Echipamentele moderne produc perturbații in sistemul de alimentare. Echipamentele electronice sunt nu numai sensibile la perturbațiile existente în rețeaua de alimentare ci și generează perturbații pentru alți consumatori. Creșterea numărului și a puterii sistemelor de acționare cu turație reglabilă este semnificativă în liniile tehnologice actuale, convertoarele de frecvențä din structura acestora find caracterizate printr-o puternică deformare a curentilor absorbiți din rețea.

Acestora li se adaugă consumatorii casnici care, datorită numarului mare, pot cauza probleme serioase în rețelele de distribuție de joasä tensiune.

3.Au sporit presiunile pentru apariția unor norme în domeniu și impunerea unor criterii de performanța. Până nu demult, utilizatorii de energie electrica erau priviți de către furnizori ca simple sarcini, fumizorii fiind cei care decideau ce este rezonabil în relațiile contractuale dintre cele douä părți. Dacă apăreau probleme, primii trebuiau sä ia măsuri pentru eliminarea acestora sau, în cel mai bun caz, trebuiau să plateasca furnizorul pentru a rezolva aceste probleme.

În prezent, utilizatorii sunt tratați din ce în ce mai mult drept clienți și a apărut tendința cuantificării diferitelor tipuri de perturbații existente în sistemele de alimentare cu energie. Electricitatea este privită ca un produs cu anumite caracteristici care trebuie măsurate, prognozate, garantate, îmbunătățite, etc. Această abordare este potentata de tendințele de privatizare și deregularizare care sunt tot mai evidente în industria energetică și pe piața de energie.

4. Furnizorii doresc să îmbunătățească calitatea produsului livrat.

Marea majoritate a furnizorilor urmăresc, din fericire, o îmbunătățire permanentă a calității energiei și serviciilor pe care le asigură, dezvoltând sisteme caracterizate printr-o fiabilitate ridicată a aprovizionării cu energie.

5. În timp, alimentarea cu energie s-a îmbunătățit permanent.

0 parte importantă a interesului crescând pentru probleme precum golurile de tensiune sau regimul deformant este determinată de calitatea ridicată a tensiunii furnizate. Întreruperile de durată în alimentarea cu energie electricä au devenit din ce în ce mai rare în țările industrializate, astfel încât s-a încetațenit ideea greșită că electricitatea este ceva întotdeauna disponibil și de bună calitate. Faptul că în sistemul energetic există și situații care nu pot fi prevăzute sau eliminate a fost ușor de uitat.

6. Calitatea energiei electrice a devenit măsurabilă.

Apariția dispozitivelor electronice capabile să masoare și să afișeze forme de undă, a contribuit în mod evident la creșterea interesului pentru calitatea energiei. Componentele armonice sau golurile de tensiune nu puteau fi măsurate, în mod uzual și pe scară largă, în trecutul nu prea îndepartat. Determinările se limitau la valorile efective ale tensiunii sau curentului, valoarea frecvenței și intreruperile de durată, fenomene care în prezent sunt considerate elemente ale calității energiei dar care atunci erau privite ca simple aspecte ale regimurilor de funcționare ale unui sistem energetic.

2.2. Perturbații electromagnetice.

Perturbațiile electromagnetice generate în sistemele electro-energetice pot fi determinate de fenomene sau evenimente care au loc în sistemele de transport și distribuție a energiei electrice sau la consumatori. În general, se pot deosebi urmatoarele categorii:

a. Goluri de tensiune sau întreruperi de scurtă durată provocate de defecte trecătoare în sistemul analizat sau de defecte permanente în puncte îndepartate ale rețelelor electrice și care determină funcționarea protecțiilor și/sau a automatizărilor de repunere sub tensiune;

b. Întreruperi de lungă durată determinate de defecte în r. Întreruperile de durată în alimentarea cu energie electricä au devenit din ce în ce mai rare în țările industrializate, astfel încât s-a încetațenit ideea greșită că electricitatea este ceva întotdeauna disponibil și de bună calitate. Faptul că în sistemul energetic există și situații care nu pot fi prevăzute sau eliminate a fost ușor de uitat.

6. Calitatea energiei electrice a devenit măsurabilă.

Apariția dispozitivelor electronice capabile să masoare și să afișeze forme de undă, a contribuit în mod evident la creșterea interesului pentru calitatea energiei. Componentele armonice sau golurile de tensiune nu puteau fi măsurate, în mod uzual și pe scară largă, în trecutul nu prea îndepartat. Determinările se limitau la valorile efective ale tensiunii sau curentului, valoarea frecvenței și intreruperile de durată, fenomene care în prezent sunt considerate elemente ale calității energiei dar care atunci erau privite ca simple aspecte ale regimurilor de funcționare ale unui sistem energetic.

2.2. Perturbații electromagnetice.

Perturbațiile electromagnetice generate în sistemele electro-energetice pot fi determinate de fenomene sau evenimente care au loc în sistemele de transport și distribuție a energiei electrice sau la consumatori. În general, se pot deosebi urmatoarele categorii:

a. Goluri de tensiune sau întreruperi de scurtă durată provocate de defecte trecătoare în sistemul analizat sau de defecte permanente în puncte îndepartate ale rețelelor electrice și care determină funcționarea protecțiilor și/sau a automatizărilor de repunere sub tensiune;

b. Întreruperi de lungă durată determinate de defecte în rețele;

c. Supratensiuni tranzitorii (de origine atmosferică sau de comutație);

d. Variații lente de tensiune produse de modificări ale sarcinii;

e. Variații rapide de tensiune determinate de comutația sarcinilor de putere ridicată;

f. Fluctuații rapide de tensiune (inclusiv efectul de flicker);

g. Generarea de armonici de curent sau tensiune;

h. Dezechilibre de tensiune determinate de alimentarea sarcinilor dezechilibrate;

i. Variații de frecvența.

Prin perturbație electromagnetica se întelege, orice fenomen electromagnetic susceptibil să degradeze funcționarea unui aparat, echipament, sistem sau să influențeze defavorabil materia vie sau pe cea inerta. Prin degradarea funcționării se înțelege modificarea nedorită a caracteristicilor de funcționare ale aparatului, echipamentului, sistemului în raport cu cele prevăzute de proiectant.

Aparatul, echipamentul, sistemul care emite perturbația poate fi numit sursă sau emițator de perturbație electromagnetică, iar cel care o recepționează este numit receptor de perturbație electromagnetică. Orice aparat, echipament, sau sistem electric / electronic poate fi în același timp emițător sau receptor de perturbație electromagnetica.

Nivelul unei perturbații electromagnetice se poate exprima:

În unități absolute (valoarea de varf, valoarea medie, valoarea efectiva a tensiunii, curentului, intensitații câmpului electric, magnetic, puterii etc.);

În unități relative liniare (valoarea relativa este obținută prin raportarea la o marime de referință.);

În unități logaritmice exprimate în dB.

Clasificarea perturbațiilor electromagnetice:

După natura emisiei perturbației:

perturbații conduse: caracterizate prin mărimi referitoare la curent si tensiune;

perturbații radiate : caracterizate prin mărimi referitoare la câmp electric si magnetic ;

După durata de timp:

perturbații permanente: de ex: armonicile introduse în rețea de consunatorii neliniari, emisiile radio și tv, etc. – afectează în special circuitele analogice;

perturbații tranzitorii: de ex: descărcarile atmosferice, supratensiunile și supracurenții în circuitele electrice, descărcările electrostatice, emisiile electromagnetice ce insoțesc comutațiile și defectele de izolație în instalațiile de I.T. – afectează în special circuitele numerice.

După caracteristicile spectrului de frecventa:

perturbații de joasă frecvență < 9khz;

perturbații de înaltă frecvență > 9khz.

Cea mai mare parte din echipamentele electrice și electronice sunt generatoare de regim deformant și producătoare de perturbații electromagnetice. Acestea produc, alături de sursele naturale – unele deosebit de puternice ( ex: descărcările atmosferice) – generatoare de zgomot electromagnetic, perturbații care se transmit către consumatori prin conducție electrica și prin radiație electromagnetica.

Trebuie precizat că încă nu există o unanimitate a specialiștilor energeticieni referitor la încadrarea fenomenelor reale în diferite categorii. Există diferențe atât între SUA și Europa, cât și între diferitele țări ale continentului nostru. În prezent se fac mari eforturi de către organismele internaționale abilitate în domeniu (în special CEI, Comunitatea Europeana, CENELEC, UNIPEDE, CIGRE, CIRED s.a.) pentru armonizarea diferitelor puncte de vedere.

Din multitudinea fenomenelor electromagnetice prezentate anterior, se va trata în continuare numai poluarea armonica a rețelelor de distribuție a energiei electrice.

2.3. Scurt istoric al fenomenului de poluare armonica

Incidența în relația furnizor-utilizator de energie electrică, a problemelor legate de poluarea armonică a crescut în ultima perioadă și a devenit o preocupare majoră pentru specialiștii din sectorul electroenergetic. Totuși, poluarea armonică nu este un fenomen nou: probleme legate de componentele armonice ale undelor de tensiune si/sau curent au aparut chiar de la începutul utilizării industriale a energiei electrice.

În timp, armonicile au fost considerate în mod repetat drept cauza unei mari varietați de fenomene și evenimente în sistemele electrice de transport si utilizare, chiar dacă forma de manifestare și modul de rezolvare a acestora au fost într-o continuă schimbare. Este interesant de menționat ca la sfârșitul secolului XIX și începutul secolului XX, problemele erau legate de tensiunile armonice existente în sistemele de transport și distribuție; întradevär datorită modului constructiv, conținutul în armonici al tensiunii furnizate de generatoarele utilizate în acea perioadă era relativ ridicat. Ulterior, neplăcerile au apărut datorită introducerii pe scară largă a receptoarelor neliniare care constituie surse importante de curenți armonici.

Prima menționare legată de utilizarea analizei armonice ca modalitate de rezolvare a unei probleme practice de electrotehnică este facută în anul 1893. C.P. Steinmetz a identificat drept cauză a supraîncalzirii unui motor electric (montat Ia Hartford, SUA) supratensiunea determinată de fenomene de rezonanța serie pe linia de alimentare având o lungime de 10,13 mile și functionând la 125 Hz. Problema era tipica pentru SUA 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 astfel de evenimente.

În anul 1895, principalii producatori americani (G.E. și Westinghouse) au introdus în fabricație noi generatoare cu înfăsurări distribuite pe întreaga circumferință în scopul îmbunătățirii formei de undă a tensiunii furnizate; noul tip de mașinä (AP) este descris ca generând o tensiune “aproape” sinusoidală, în timp ce despre vechiul tip (AT) se specifică “era limitat pentru linii de transport cu o lungime de 5… 10 mile din cauza formei de undă” .

A doua menționare în literatura de specialitate a unor probleme legate de armonici apare la inceputul secolului și face referire la valori ridicate ale curentului 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 stea, fenomen binecunoscut în prezent.

Generarea pe scara larga a curentilor armonici de către receptoare sau alte dispozitive și echipamente existente în sistem a început în anii 1930 odată cu introducerea tehnologiilor bazate pe descarcarea în arc (surse de luminä, cuptoare electrice, instalatii de sudare); transformatoarele reprezentau de asemenea o importantă sursă armonică, în timp ce principala problemă care a trebuit rezolvată a reprezentat-o interferența cu sistemele telefonice. Cuplajul inductiv între rețelele aeriene de transport și distribuție a energiei electrice și cele telefonice montate pe aceiași stâlpi inducea tensiuni parazite suficient de mari pentru a perturba traficul telefonic.

După 1950, când distribuitorii au evidențiat impactul tehnico-financiar al factorului de putere scăzut și au impus penalități consumatorilor industriali, a devenit economică utilizarea bateriilor de condensatoare pentru compensarea circulației de putere reactivă.

Prezența acestor condensatoare în sistemele de distribuție a creat însă condiții pentru apariția unor posibile fenomene de rezonanță determinate de:

existența în sistemele de distribuție a unei game largi de frecvențe armonice (în special în gama 150.. .550 Hz);

introducerea unui număr relativ mare de baterii de condensatoare (de puteri diverse) în diferite noduri ale sistemelor electro-energetice;

modificarea reactanței inductive echivalente prin modificarea configurației sistemului, introducerea de transformatoare sau bobine de limitare, etc.

Inductanțele și capacitățile existente în sistem formează circuite rezonante serie sau paralel având, în general, frecvențe proprii în gama 200-600 Hz; acest interval corespunde armonicilor de rang 5-11, armonici generate de multe echipamente neliniare racordate la rețelele de alimentare.

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 sunt reducerea costurilor de producție (prin creșterea randamentelor și reducerea costurilor de mentenanță), reducerea gabaritelor și greutaților, îmbunătățirea posibilităților de control, etc.

În prezent, în țările dezvoltate, circa 50 % din receptoarele unui consumator industrial constau din convertoare de frecvență (pentru alimentarea acționărilor reglabile de c.a. sau c.c.), surse în comutație (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 curenti armonici; efectul acestor unde nesinusoidale asupra altor elemente ale sistemului, atât pe teritoriul consumatorului industrial cât și în afara acestuia, poate fi deosebit de periculos.

În general, consumatonii neliniari contribuie la degradarea calității energiei electrice prin generarea de curenți armonici, circulația acestora determinând distorsionarea undei de tensiune în punctul de racord (dar și 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, etc.), 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.

2.4. Definiții privind regimul armonic în sistemele electroenergetice.

S-a menținat anterior că nu există încă o unanimitate de păreri asupra încadrării fenomenelor care apar într-un sistem electroenergetic în diferitele categorii ale perturbațiilor electromagnetice și nici asupra vocabularului utilizat. Interesul crescând arătat problemei calității energiei electrice a fost acompaniat de dezvoltarea unei terminologii specifice pentru descrierea fenomenelor caracteristice. Din păcate, această terminologie nu este unitară, întâlnindu-se fie concepte și definiții diferite, fie interpretări diverse ale acelorasi noțiuni.

Din această cauză, în continuare se prezintă o consistentă terminologie legată de problematica compatibilității electromagnetice (se insistă asupra fenomenului de poluare armonică) în sistemele electroenergetice.

1. Mediul electromagnetic: totalitatea fenomenelor electromagnetice existente într-un loc dat. Mediul electromagnetic poate fi specificat prin prezentarea surselor sale active de emisie electromagnetică (artificiale – sisteme tehnice, instalații industriale etc., sau naturale – decarcări atmosferice, radiația cosmică, etc.)

2. Perturbație electromagnetică (PEM): orice fenomen electromagnetic care poate degrada performanța unui dispozitiv, echipament, sau sistem, sau afecta defavorabil materia vie sau inertă.

3. Zgomot electromagnetic: fenomen electromagnetic variabil în timp nepurtând aparent informație și care se poate suprapune sau combina cu un semnal util.

4. Semnal nedorit: semnalul care poate afecta recepția unui semnal util.

5. Interferență electromagnetică: degradarea performanței unui echipament, unui canal de transmisie sau a unui sistem, cauzată de o PEM.

6. Emisie (electromagnetică): fenomen prin care energia electromagnetică este emanată de către o sursă.

7. Nivel (al unei mărimi variabile): valoare medie sau altă valoare ponderată a unei mărimi variabile în timp,evaluată într-un mod specific într-un interval de timp specificat.

8. Nivel de emisie: nivelul unei PEM de formă dată, emisă de un anumit dispozitiv și măsurată într-un mod specificat.

9. Imunitate la o perturbație : aptitudinea unui dispozitiv, aparat sau sistem de a funcționa, fără a se degrada, în prezența unei PEM.

10. Nivel de imunitate: nivel maxim al unei PEM de formă dată, aplicată unui anumit dispozitiv, echipament sau sistem, pentru care acesta rămâne capabil să funcționeze la un grad prescris de performanță.

11. Compatibilitate electromagnetică: (abreviere CEM)- aptitudinea unui echipament sau sistem de a funcționa satisfăcător în mediul său electromagnetic fără a produce el însuși PEM intolerabile pentru orice se găsește în acest mediu.

12. Nivel de compatibilitate (electromagnetică): nivel maxim specificat al PEM la care este de așteptat să fie supus un dispozitiv, echipament sau sistem ce funcționează în anumite condiții.

13. Nivel de planificare: nivel al PEM, utilizat în scop de planificare, pentru a evalua impactul asupra rețelei al sarcinii utilizatorilor. Nivelurile de planificare sunt inferioare nivelurilor de compatibilitate.

14. Nivel de perturbare: mărime statistică care exprimă valoarea unui fenomen electromagnetic capabil să perturbe funcționarea unui dispozitiv.

15. Limita de perturbație: nivelul de perturbație maxim admis, măsurat printr-o metodă specificată.

16. Limită de emisie: valoare maximă specificată a nivelului de emisie a unei surse de PEM.

17. Limită de imunitate: valoarea minimă specificată a nivelului de imunitate.

18. Susceptibilitate electromagnetică: inaptitudinea unui dispozitiv, echipament sau sistem de a funcționa, fără a se degrada, în prezența unei PEM.

19. Nivel de susceptibilitate al echipamentului: nivel de perturbație care ar afecta funcționarea echipamentului (evident, acesta trebuie să fie cel puțin egal cu nivelul de imunitate stabilit prin teste).

20. Punct de cuplare (PC): punctul în care trebuie să fie considerată CEM. Acesta poate fi punctul în care sunt conectate rețeaua de distribuție a furnizorului de energie electrică și rețelele clientului.

21. Punct comun de cuplare (PCC): punct situat pe rețeaua de alimentare electrică publică, cel mai apropiat electric de instalația unui anumit comsumator, și la care sunt sau pot fii racordate alte instalații ale consumatorilor.

22. Punct de cuplare intern (PCI): punct de cuplare în interiorul sistemului industrial sau al instalație studiate.

23. Impedanța rețelei (de alimentare): impedanța rețelei de alimentare văzută dintr-un PCC.

24. Instalația consumatorului: instalație ce include echipamentele care aparțin consumatorului și care este racordată la rețeaua publică într-un PCC.

25. Echipament monofazat: echipament conectat între o fază activă și un conductor neutru.

26. Echipament bifazat: echipament conectat între două conductoare active (faze).

27. Echipament trifazat: echipament conectat la trei conductoare active și care este astfel reglat încât curenții în cele trei conductoare sunt practic identici (aceeași formă a curbei și aceeași amplitudine) și defazați între ei cu un unghi care corespunde unei treimi din perioada fundamentalei.

28. Puterea de scurtcircuit SSC: valoarea convențională a puterii de scurtcircuit trifazată, caracteristică fiecărui nod din sistemul energetic.

29. Puterea aparentă nominală a echipamentului SN : puterea calculată din valoarea efectivă a curentului nominal de fază și cea a tensiunii de alimentare prin relașiile cunoscute.

30. Tensiune de alimentare: valoarea efectivă a tensiunii existente la un moment dat în punctul de furnizare.

31. Fundamentală, componentă fundamentală: componenta de ordinul 1 a dezvoltării în serie Fourier a unei mărimi periodice.

32. Armonică, componentă armonică: componentă de ordin mai mare decât 1 a dezvoltării în serie Fourier a unei mărimi periodice.

33. Ordin (al unei armonici): număr întreg egal cu raportul dintre frecvența unei armonici și frecvența fundamentalei.

34. Ponderea armonicii (de ordin) n: raport între valoarea efectivă a armonicii de ordin n și valoarea efectivă a fundamentalei.

35. Ponderea fundamentalei: raport între valoarea efectivă a componentei fundamentalei și valoarea efectivă a unei mărimi alternative.

36. Conținut de armonici (reziduu armonic): mărime obținută prin extragerea componentei fundamentalei dintr-o mărime alternativă.

37. Ponderea armonicilor: raport între valoarea efectivă a conținutului de armonici și valoarea efectivă a unei mărimi alternative.

38. Clase de medii electromagnetice: caracterizează influențele pe care perturbațiile existente în sistemul de alimentare le pot avea asupra funcționării echipamentelor, după cum urmează:

Clasa 1 – se referă la rețelele protejate, cu niveluri de compatibilitate inferioare celor publice, și care cuprind aparate foarte sensibile la perturbațiile din rețeaua de forță.

Clasa 2 – se referă în general la PCC și PCI, nivelurile de compatibilitate ale acestei clase fiind identice cu cele ale rețelelor publice.

Clasa 3 – se referă numai la PCI din medii industriale, nivelurile de compatibilitate fiind superioare celor din clasa 2 pentru anumite perturbații.

Capitolul 3

Parametri regimului deformant și

efectele poluării armonice

3.1.Considerații generale

Sistemul electroenergetic, format din sursele de producere a energiei electrice, instalațiile de transport și distribuție a energiei electrice până la punctul de consum inclusiv instalațiile de la consumator (receptorii de energie electrică), formează un ansamblu funcțional în echilibrul energetic producție-consum. El reprezintă un sistem cu multe variabile de stare cu parametrii liniari sau liniarizati, în mare parte variabili în funcție de frecvență. Sistemul electroenergetic este proiectat pentru funcționare la frecvența de 50Hz, ținând seama de criteriul maximului economic și rezervei de stabilitate, pentru o funcționare sigură la apariția unor incidente provocate de factori poluanți. Funcționarea echilibrată a sistemului electroenergetic este sigură daca valorile parametrilor și mărimilor de stare se încadrează în limitele admise pentru obținerea maximului economic și siguranței în funcționare.

Limitele valorilor maxime și minime ale parametrilor de regim și mărimilor de stare deduse din numeroase calcule și analize de regimuri sunt stabilite prin reglementări (norme, prescripții, instrucțiuni de exploatare și proiectare). Orice abatere a parametrilor de stare de la limitele impuse (admise) conduce la apariția starilor critice ale sistemului electroenergetic (îndepartarea de maximul economic și de siguranță).

Mărimile de stare caracteristice regimului de maxim economic și de siguranță, constituie atributul de functionare normala și de asigurare a calității energiei electrice. Condiția de calitate a energiei electrice se pune cu exigența mărită fată de alte produse ale economiei initiale. Energia electrica nu se poate constitui ca rebut și nici remedia de către beneficiar, nu se poate recondiționa și, mai mult decat atât, o calitate necorespunzătoare a energiei electrice poate provoca daune considerabile la producator, în transport la distribuitori și la consumatorul propriu zis.

Calitatea energiei electrice într-un nod al sistemului electroenegetic este strâns legată de rețeaua electrică în mod concret prin următorii indicatori tratați în literatura de specialitate:

calitatea tensiunilor în noduri;

calitatea frecvenței;

continuitatea alimentării cu energie electrica.

Poluarea armonică în sistemele electroenergetice reprezinta una din importantele cauze ale deteriorării calitații energiei electrice. În regim normal nepoluat de funcționare sursele de energie electrica într-un sistem electroenergetic asigură un nivel de calitate a energiei electrice în conformitate cu normele și prescripțiile de exploatare.

Vom analiza în continuare principalele cauze ale poluării armonice din sistemul electroenergetic.

a) Distorsiunea formei de undă a tensiunii si curentului

Forma de undă sinusoidală de tensiune și de curent în rețelele electrice poate fi distorsionată (deformată) din cauza prezenței elementelor neliniare în rețea, printre care se menționează:

bobinele cu miez de fier și feromagnetice;

codensatoarele de forță montate în rețea;

circuite redresoare necomandate;

circuite cu diode redresoare comandate;

procese tehnologice ce folosesc arc electric, cuptoare, instalații de sudura, etc.;

instalații electrice de electroliză;

tracțiunea electrica;

electronica de putere,etc.

Regimul deformant al undei de tensiune și curent se definește ca find regimul permanent de funcționare al rețelelor electrice de tensiune altemativă care alimentează elemente deformante din categoria celor enumerate mai sus. Elementul deformant este un receptor care produce și amplifică tensiunile armonice. Elementele deformante in rețele electrice sunt de doua tipuri:

Elemente deformante de categoria I-a, reprezentând elemente de circuit care, alimentate cu tensiuni sau curenți sinusoidali, produc fenomene deformante;

Elemente de categoria a Il-a, sunt cele care nu generează regim deformant dar, alimentate cu surse deformante, amplifică aceste deformari (circuite oscilante);

b) Nesimetria sistemului trifazat în rețele

Regimul nesimetric și dezechilibrat, permanent produs de sarcinile inegale pe cele trei faze ale rețelelor și de nesimetria impedantelor aceleiași rețele trifazate pe lângă faptul că are efecte negative indirecte asupra funcționării sistemului energetic contribuie și la poluarea armonică.

Existenta secvenței simetrice inverse a tensiunui în rețea datorată regimului nesimetric provoacă înfasurările generatorului, fenomene ce conduc la poluare cu armonici. Apar astfel în stator armonicile intregului spectru.

Parametrii caracteristici ai regimului deformant in rețelele electrice:

Ponderea armonicii de rang n, determinată ca raport procentual dintre amplitudinea armonicii și fundamentală:

a=(An/A1):1OO

Reziduul deformant

Coeficientul global de distorsiune al undei sinusoidale (tensiune sau curent) definit ca raportul în procente dintre valoarea efectivă a reziduului deformant și valoarea efectivă a fundamentalei:

în care:

n – rangul armonicii;

An – amplitudinea armonicii de rang n;

A1 – amplitudinea fundamentalei.

Coeficientul de forma al undei de tensiune sau curent, definit ca raportul dintre valoarea efectiva a undei periodice nesinusoidale și valoarea medie a semiperioadei curbei.

Factorul de vârf definit ca raportul dintre amplitudinea maximă a undei nesinusoidale și valoarea efectivă a acesteia.

Nivelul armonicilor definit ca raportul în procente dintre valoarea efectivă a amplitudinii armonicii de rang n și amplitudinea fundamentalei.

În rețeaua de transport și distribuție a energiei electrice precum și la consumator îndeosebi apar surse de poluare armonică ce reprezintă un factor important în înrăutățirea indicatorilor de calitate ai energiei electrice. Aceasta alterare a indicatorilor de calitate duce la nerespectarea maximului economic și de siguranță.

3.2. Efectele poluării armonice în sistemul electroenergetic:

Existența regimurilor deformante în sistemul electroenergetic afectează parametrii de funcționare ai echipamenetelor și influențează negativ regimurile de funcționare.

Principalele efecte ale poluării armonice în sistemele electroenergetice se pot cuantifica, ceea ce poate servi la justificarea măsurilor ce se intreprind pentru diminuarea acestor efecte.

Vom enumera în continuare principalele efecte negative ale poluării armonice:

a) Pierderile de putere activa în rețeaua poluată armonic;

Efectele termice suplimentare ce apar în rețele datorită poluării armonice provoacă urmatoarele categorii de pierderi:

Pierderi în materialele conductoare;

Pierderi în materialele magnetice pentru armonica de rang n.

b) Pierderi în materiale dielectrice;

Marimea care definește pierderile active în dielectric este unghiul de pierderi.

c) Rezonanța armonică pe tensiune;

Curentul armonicii de rang n ce străbate un element de rețea R, L, C are expresia:

Dacă în elementul de rețea analizat pentru armonice de rang k este îndeplinită condiția kωL = 1/kωC, atunci curentul va avea valoarea maximă și deci ne confruntăm cu efectul de rezonanță de curent pentru armonica k.

d) Creșterea potențialului punctului neutru pentru conexiuni Y0 ale transformatoarelor sau altor receptoare;

e) Supraîncărcarea circuitelor de nul ale rețelelor electrice;

f) Apariția de supracurenți în rețele electrice trifazate.

Rezonanța de curent în circuitele consumatorilor de energie electrică poate apare într-un nod de consum în care sunt racordate receptoare generatoare de curenți armonici (de exemplu baterii de condensatoare, redresoare și alte receptoare neliniare).

Putem spune că efectele regimului deformant în rețelele electrice influențează negativ economicitatea funcționării sistemului electroenergetic în ansamblu și pe componente astfel:

afectarea funcționarii echipamentelor electronice de protecție, automatizare și comandă;

producerea de pierderi suplimentare în transportul și distribuția energiei electrice;

solicitarea peste limitele admise a instalațiilor statice de compensare a puterii reactive;

provocarea scăderii randamentelor motoarelor electrice;

încărcarea suplimentară a elementelor sistemului electroenergetic;

apariția supratensiunilor periculoase pentru instalațiile sistemului energetic national în condiții de rezonanță pentru anumite armonici;

micșorarea factorului de putere la consumatorii deformanți și în rețeaua de alimentare cu energie electrica.

3.3 Considerații generale privind evaluarea regimului rețelei electrice în condiții de poluare armonică:

Un regim deformant este caracterizat prin prezența armonicilor în instalațiile electrice. El poate fi caracterizat prin fenomenele deformante particulare care apar în acest caz, și în special prin efectele binecunoscute pe care le produce.

Astfel, fenomenele deformante pot produce efecte de rezonanță în rețelele și masinile electrice; ele măresc puterea aparentă, provocând astfel o micșorare a factorului de putere; micșoreaza, în general, randamentul aparatelor receptoare; tot datorită fenomenelor deformante, liniile de telecomunicații suferă anumite influențe supărătoare din cauza existenței acestor fenomene în rețelele electrice vecine; în sfârșit, fenomenele deformante introduc erori suplimentare în aparatele de măsură.

Un regim dezechilibrat în cadrul unei rețele electrice este caracterizat prin apariția unor curenți de succesiune inversa și/sau homopolara. Acești curenți vor circula de-a lungul rețelei, în sens contrar curenților produși de generatoare, adica de la un defect către surse. Va exista deci, în orice punct al rețelei o suprapunere de curenți de succesiuni diferite.

Un exemplu în acest sens îl constituie un motor asincron, aflat într-un punct oarecare al rețelei, care este alimentat cu acești curenți nesimetrici, adică atât cu un sistem de curenți de succesiune directă, cât și cu un sistem de curenți de succesiune inversă. Sistemul de curenți de succesiune directă produce în intrefierul mașinii un câmp învârtitor, care va produce mișcarea rotorului în același sens cu câmpul. Sistemul de curenți de succesiune inversă produce, în general, un câmp învârtitor de o intensitate diferită față de primul, care se va roti în sens invers, însa cu aceeași viteză de sincronism. Cămpul rezultant este echivalent cu un câmp învârtitor care se va roti cu viteza de sincronism într-un sens sau altul, dupa cum primeaza câmpul direct sau câmpul invers și cu un câmp alternativ fix în spațiu. Rezulta deci că, un motor asincron funcționând într-o rețea electrică trifazată dezechilibrată se comportă ca o mașină trifazată normală, peste care se suprapune o mașină monofazată, consecință find încălzirea excesivă a motorului asincron.

Într-o rețea electrică complexă, circulația armonicilor de curent electric și căderile de tensiune corespunzătoare acestora provoacă amplificări ale armonicelor de curent și de tensiune, pierderi suplimentare de energie electrică, influențe electromagnetice asupra sistemelor de telecomunicații, precum și alte fenomene electromagnetice (supratensiuni, suprasarcini, funcționarea eronată a sistemelor de protecție și automatizare). Efectele de amplificare ale armonicelor de curent și de tensiune se produc ca urmare a suprapunerii frecvenței proprii a circuitelor formate din bobine și condensatoare cu frecvența uneia din armonicele preponderente.

Armonicele de curent se propagă în toate circuitele conectate la rețea, ceea ce impune analiza circulației acestor armonici și stabilirea efectele acțiunii lor asupra unor elemente ale rețelei electrice.

Într-o rețea poluată armonic, chiar consumatorii care nu constituie sursa de poluare armonică la nivelul lor pot fi poluați cu armonici dacă sunt alimentați de la o rețea poluată armonic și mai mult decât atât, se poate produce o amplificare a regimului armonic în situația în care acești consumatori au în structura lor circuite neliniare.

Fenomenul de amplificare a armonicelor poate fi pus în evidență și la liniile electrice de IT și FIT, funcționând în gol.

Amplificarea armonicelor poate provoca încălziri suplimentare în mașinile electrice, ceea ce poate conduce la scăderea puterii acestora.

Distorsiunile curbei tensiunii la bornele receptoarelor poate conduce la reducerea cuplului motoarelor și pierderi suplimentare în înfașurările motoarelor electrice. Fenomenul de amplificare a armonicelor superioare de tensiune și curent într-o rețea electrică de transport și distribuție până la stări de rezonanță sunt determinate în dimensionarea rețelelor care alimentează consumatori deformanți.

Totodată trebuie avut în vedere creșterea rezistenței electrice a elementelor conductoare datorită efectului pelicular ceea ce poate conduce la creșterea pierderilor în transportul și distribuția energiei electrice.

Determinarea tensiunilor în rețelele electrice și a circulației armonicelor în rețea impun adoptarea unor ipoteze simplificatoare asupra consumatorilor, elementelor de rețea și asupra surselor din sistemul electroenergetic.

Sursa de armonici poate fi considerată în două moduri:

– Sursa de armonici de curent constant este considerată ca sursa ideală de curent pe armonica de rang n, In – constant, atât în raport cu tensiunea aplicata la borne cât și în raport cu valorile celorlalte armonici generate de consumatorul deformant.

Această ipoteză este acoperitoare din punctul de vedere al amplificării armonicelor de curent într-o rețea electrică ce nu prezinta compensare longitudinală dar are elemente transversale capacitive sau inductive. Această situatie apare în mod uzual în rețelele de transport și distribuție.

– Sursa de armonici de tensiune constantă este acoperitoare chiar și pentru cazul în care exista compensare serie pe linie.

Într-o altă ipoteză, consumatorul deformant se poate considera că funcționează pe o caracteristică de impedantă pe armonica fundamentală, constanța de secvență directa și inversă. Dacă se cunoaște forma curentului absorbit de consumator se poate determină spectrul de armonici în raport cu armonica fundamentală. Valorile astfel rezultate ale armonicelor se atașează unor surse de curenți constante care modelează consumatorul în domeniul armonicelor superioare.

Într-o ipoteză mai apropiată de realitate decât primele două, consumatorul deformant se ia în considerare prin caracteristica sa neliniara care stabilește relația dintre starea instantanee u(t) a tensiunii de la borne si valorile corespunzătoare I(t) ale curentului electric. În calculele practice această caracteristică poate fi liniarizată pe porțiuni prin segmente de dreaptă sau printr-o funcție în scară.

3.4. Concluzii:

Din cele expuse până aici privind efectele negative ale poluării armonice a sistemului electroenergetic se desprind o serie de concluzii care justifică cu prisosința actualitatea subiectului prezentei lucrări.

În primul rând se poate remarcă multitudinea de fenomene negative și efectele acestora asupra funcționării economice și sigure a sistemului electroenergetic poluat cu armonici.

Posibilele identificări și evaluări ale acestor efecte negative privind poluarea armonică, îndeamna specialiștii în perfecționarea continuă a mijloacelor tehnice pentru întreprinderea măsurilor de înlăturare și limitare a efectelor negative ale poluării cu armonici.

Nodurile de consum find principalele surse ale poluării cu armonici este firesc faptul ca să existe mijloace tehnice adecvate pentru controlul permanent al indicatorilor caracteristici ai poluării, dat find faptul că apariția și nivelul armonicilor este funcție de natura consumatorului, de fazele proceselor tehnologice, gradul de măsurare, condițiile de mediu, de gradul de compensare a puterilor reactive, de factorul de calitate al schemei de alimentare și de alti factori.

Capitolul 4

Surse de armonici și evaluarea

poluării armonice

Natura mediului electromagnetic al instalațiilor condiționează buna lor funcționare. Cunoașterea unui mediu înseamnă înainte de toate identificarea surselor de perturbații electromagnetice conținute. Înainte de a instala un echipament sau un sistem sensibil este de dorit să se evalueze riscurile legate de apropierea de sursa de poluare electromagnetica.

În prezentările ce urmează se face o detaliere a tipurilor de perturbații grupate pe niveluri de frecvență (joasă frecvență și înaltă frecvență) și funcție de suportul propagării (prin conductori- conducție – sau prin radiație) cu ordonarea și dupa caracteristica lor temporală (intreținute sau tranzitorii).

4.1.Perturbațiile de joasă frecvență:

Prin perturbații de joasă frecvență se înteleg acelea a căror gamă de frecvență este sub 1 Mhz. În acest domeniu de frecvență, fenomenele pot fi analizate plecând de la schemele electrice echivalente simple, conținând rezistențe, inductanțe mutuale și capacitați. Până în domeniul frecvențelor de ordinul Mhz, amplificatoarele se comportă acceptabil iar cuplajele prin radierea în spațiul din jur nu sunt prea severe. De asemenea izolațiile galvanice sunt de o eficacitate corespunzătoare iar prin cablurile de lungime normală curenții pot fi considerați constanți, fără implicarea fenomenelor de propagare.

În tabelul de mai jos sunt enumerate și clasificate principalele perturbații de joasă frecvență.

Prin perturbații întreținute de joasă frecvență se întelege ansamblul de paraziți a căror durată depașește o secunda. Aceste perturbații se prezintă sub formă de bruiaj de nivel scăzut și se întâlnesc sub doua forme:

variații permanente sau cvasipermanente (sporadice) conducând la o compoziție spectrala de frecvență în banda 0,5-25 Hz;

șocuri de tensiune producându-se sistematic sau sporadic dar la intervale de timp mai mari de câteva secunde;

4.2. Poluarea cu armonici :

Toate sarcinile neliniare consumă un curent nesinusoidal, compus dintr-un curent la frecvența de 50 Hz care reprezintă armonica fundamentală și curenții de armonici a căror frecvență este un multiplu al frecvenței fundamentale (100, 150,200,250,300 Hz). Raportul dintre frecvența unei armonici și frecvența fundamentală determină rangul armonicii și în funcție de valoarea sa, curbele de tensiune sau de curent produse de sursele poluante pot fi:

armonice, dacă rangul lor este un număr întreg;

subarmonice, dacă rangul lor este subunitar;

interarmonice, la care rangul lor este difenit de un multiplu întreg al frecvenței fundamentale.

Principalele surse poluante din cadrul unui sistem energetic sunt:

instalații electrice și electronice cu caracteristici neliniare (aparate cu reglaj de fază generalizate sau reglaj de fază și de putere mutatoare, instalații de electroliză, cuptoare cu arc electric în perioada topirii, redresoarele necomandate de la receptoare TV, lămpi cu balast integrat, convertizoare de frecvență);

generatoare și elemente de transfer din sisternul energetic care datorită construcției (sau imperfecțiunilor constructive) nu realizează mărimi de ieșire de forma perfect sinusoidală (nivelul perturbației armonice produse de aceste instalații este în general de valoare redusă);

tracțiunea electrică monofazată;

compensatoarele statice la cuptoarele cu arc;

descăncări în gaze (iluminatul fluoreșcent);

regimuri anormale de funcționare a sistemului energetic (mașini unelte rotative sau transformatoare în suprasarcina, descarcarea Corona etc.)

Datorită creșterii nivelului de poluare în Sistemul Energetic National, sa impus stabilirea de măsuri, metode și strategii antipoluante pentru a corela interacțiunile dintre distorsiunile armonice și echipamentele din rețeaua electrică din punct de vedere economic și tehnic, ținând seama de aspectul statistic al poluării cu armonici.

În strategia de coordonare antipoluantă este necesar să se precizeze limitele și toleranțele admisibile pentru nivelul de poluare cu armonici în diferite condiții de funcționare ale consumatorilor și în funcție de tipul receptoarelor din zonă, stiind faptul ca unele receptoare, electrice sau electronice (releele din sistemele de protecție, electronică de putere etc.), sunt sensibile la efectele instantanee ale armonicilor iar o alta categorie de receptoare (condensatoare, masini electrice, conductoare izolate, etc.) este sensibilă la efectele cumulative ale poluarii cu armonici.

Pentru limitarea poluării cu armonici a rețelelor electrice au fost elaborate standarde care trebuie să fie cuprinse în normele de fabricatie a echipamentelor dar care se referă și la modul de exploatare a acestor echipamente în vederea racordarii la rețeauă electrică. În principal recomandările stabilesc criteriile care se vor utiliza pentru evaluarea nivelului de poluare.

Aceste criterii sunt:

tensiuni armonice admisibile pe barele de alimentare

(acest criteriu permite să se compare caracteristicile poluante ale rețelei, cu cele ale consumatorului, criteriul scoate în relief faptul că nivelul tensiunilor armonice depinde atât de curentul armonic determinat de consumator cât și de impedanta internă a rețelei care alimentează consumatorul, deci criteriul nu caracterizează numai consumatorul perturbator);

curenți armonici admisibili

(criteriul este util rețeliștilor permițând evaluarea mai exactă a pierderilor suplimentare în rețelele electrice dar nu permite aprecierea influenței armonicilor de tensiune asupra unor receptoare sensibile și nepoluante racordate la rețeaua de alimentare împreună cu receptorii defavorizanți);

putere perturbatoare admisibila

(dificultățile de măsurare în multe puncte ale sistemului energetic, a puterilor în regim deformant, mai ales când acest regim se combină și cu situațiile de nesimetrie trifazată face ca acest criteriu sa fie în prezent puțin utilizat);

Limite admise pentru fenomenele deformante:

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 nu este sinusoidală; el își are originea în elemente ale sistemului electroenergetic (generatoare, transformatoare, redresoare în sistemele de transport în c.c., condensatoare sau bobine comandate prin tiristoare utilizate pentru controlul stabilității sistemului și al circulației de putere reactivă) sau în receptoarele neliniare folosite de consumatori pentru transformarea energiei electrice in altă formă de energie.

Aceste elemente, denumite și surse de PEM, determină generarea unor mărimi de stare (curent sau tensiune) în a căror compoziție spectrală coexistă, alături de fundamentală, componente cu alte frecvențe (armonici, interarmonici, subarmonici). Deoarece prezența regimului deformant este caracterizată printr-o serie de efecte negative asupra sistemului energetic și sau a consumatorilor alimentați din acesta este necesară stabilirea unor indicatori ai regimului nesinusoidal și impunerea unor valori maxim admise pentru aceștia.

Analiza armonică a undelor nesinusoidale:

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

în care ;

;- perioada funcției;

; – pulsația curbei fundamentale;

– frecvența fundamentală

Analiza armonică reprezintă operația de descompunere a unei oscilații periodice oarecare în oscilații armonice ale căror frecvențe sunt multipli întregi ai frecvenței fundamentale. Matematicianul francez Joseph Fourier a demonstrat ca dacă f(t) este netedă pe porțiuni în intervalul de o perioadă (condițiile lui Dirichlet: funcția este mărginită, are un număr finit de discontinuități de prima speță și este monotonă pe porțiuni), condiție satisfacută obișnuit de mărimile ce intervin în electrotehnică, ea poate fi exprimată prin sume de semnale (numite serii Fourier), după cum urmează:

Forma dezvoltată:

Forma restrânsă:

în care Cn= an – j x bn /2 ►se numește amplitudine spectrală complexă.

C0 reprezintă componenta continuă a undei periodice.

4.3.Surse de armonici în sistemul energetic:

În continuare sunt analizate principalele surse de poluare cu armonici a Sistemului Energetic National. Se au în vedere atât echipamentele energetice indispensabile funcționarii sistemului cât și consumatorii industriali și casnici.

Echipamentele energetice de producere, transport și distribuție a energiei electrice, sunt utilaje complexe, bine distribuite în sistemul energetic, în această categorie aflânduse: generatoarele; transformatoarele; compensatori statici; convertizoarele de frecvență.

Prin concepția de realizare, generatoarele nu pot furniza la borne tensiuni perfect sinusoidale deoarece masinile electrice rotative contin elemente neliniare în circuitul magnetic, în general surse de armonici.

Totuși printr-o judicioasă alegere a numarului de crestături și a modului de repartiție a bobinajelor se poate obține o curba de tensiune cvasinusoidală. Se menționează că funcționarea generatoarelor într-un regim dezechilibrat conduce la deformarea accentuata a curbelor de tensiune și apariția armonicilor de rang 3 și mai mult. Funcționarea transformatorilor într-un regim de suprasarcină care conduce la saturația fierului circuitului magnetic, produce de asemenea distorsiuni de forma a undelor de tensiune și curent.

Armonicile cu rangul exprimat printr-un numar întreg pot fi generate de echipamentele energetice dar, principala pondere a acestora provine din natura și funcționarea receptorilor inductibili și casnici.

4.3.1. Consumatori industriali:

Printre consumatorii industriali care pot sa fie surse de însemnate distorsiuni armonice se pot enumera: convertizoarele de putere (redresorii), cuptoarele cu inducție, cuptoarele cu arc, etc. Electronica de putere reprezinta o sursă importantă de armonici pentru rețelele electrice și puterea unitară a astfel de echipamente este în creștere.

Teoretic curenții armonici caracteristici, produși de convertizoarele de putere au rangul n determinat prin expresia:

n = p x m ± 1

în care:

n- este rangul armonicii,

p- este indicele de pulsație a convertizorului,

m- este un număr întreg (1,2,3,…)

Imprecizia valorii unghiului de aprindere, dezechilibrele tensiunii de alimentare și ale parametrilor (de exemplu a punților dodecafazice) pot genera armonici de ordinul 5,7. Legea teoretica de descreștere a amplitudinii curenților unui redresor la comutarea instantanee este data de relația:

în care :

In -este curentul armonicii de rang n;

I1 -este amplitudinea curentului fundamental.

În realitate redresoarele nu comută instantaneu și ca atare forma undei de curent nu este perfect rectangulară. Amplitudinea curenților armonici depinde de unghiul de aprindere și de căderea de tensiune inductivă datorită inductanțelor. Într-o exprimare aproximativă amplitudinea curenților armonici de fază a redresoarelor este data de relația:

pentru 5 < n < 31

Cuptoarele cu arc pot fi reprezentate ca generatoare de curenți având o impedanță internă constituită dintr-o inductanță și dintr-o rezistență de amortizare. Spectrul de curent este constituit dintr-un spectru care se suprapune pentru fiecare armonică și este un spectru continuu.

4.3.2. Surse de armonici si interarmonici in retelele de joasa tensiune :

A. Surse de armonici:

0 problemă particulară o ridică punțile Gratz. Aceste tipuri de redresoare cu diode sau tiristoare produc armonici impare diferite de 3 (sau multipli) adică de rangul 5,7,11,13 etc. Aceste armonici se manifestă în timp prin crestături de comutație care se prezintă sub forma a patru goluri în interiorul perioadei de variație a tensiunii.

Crestături de mai multe zeci de volți amplitudine pot să conducă la amorsarea triacului de proastă calitate. La echipamentele de birotica (de exemplu: fotocopiatoare sau imprimante laser) triacurile se amorsează pentru o variație DU/Dt inferioara valorii de 50V/µs.

Un alt aspect privind influența armonicilor provine din analiza condensatoarelor de compensație a puterii reactive. Bateriile de condensatoare (C) de joasă tensiune sunt din punct de vedere electric în paralel cu inductanța (L) a transformatorului de alimentare din rețea. Acest circuit L – C prezintă o impedanță ridicată la rezonantă.

Daca un curent armonic este generat la frecvența de rezonanta a circuitului L -C (la 250Hz sau la 350Hz de exemplu) distorsiunea de tensiune poate deveni impontantă. Soluția evitării acestui fenomen constă fie prin decalarea frecvenței de rezonanță a circuitului fie prin adăugarea unei inductanțe în serie cu condensatoarele, cu scopul de a se componta ca un filtru antiarmonici.

Pentru rezolvarea problemei de reducere a armonicilor, în afara soluției de a coborâ impedanța de scurt-circuit, se utilizează fltre anti-armonice. Un filtru anti-armonic este constituit, în principiu, din trei circuite L – C serie acordate pe frecvența care trebuie redusă (diminuată).

B. Evaluarea poluării armonice:

Când mai multe armonici apar simultan efectul lor combinat poate fi exprimat in diferite moduri:

Factor armonic individual (reprezintă efectul individual al unei armonici, dat de factorul individual Un / U1 = un, unde U1 este tensiunea fundamentală, dar acest parametru este mai dificil de măsurat).

Factor global de distorsiune (criteriu reprezentativ al efectului termic și care este factorul global de distorsiune).

unde:

n = rangul armonicii,

Un = amplitudinea componentei de rang n a tensiunii,

U1 = amplitudinea componentei fundamentale a tensiunii,

N poate fi luat în practică egal cu 40.

Factor ponderat de distorisiune

Printr-o expresie care stabilește o pondere apropiată armonicilor individuale conform cazurilor particulare, în cazul cel mai defavorabil, acela al condensatoarelor, se poate aplica expresia:

unde:

dp= este distonsiunea ponderată;

un =Un/U1;

n = rangul armonicii ;

Un , U1 si N au aceeași semnifcație folosită la exprimarea du

dp este proportional cu valoarea eficace a curentului armonic circulând prin condensatoare alimentate de o tensiune deformată.

S-a determinat, că un curent prin condensator de 1,3 ori curentul nominal, o vaboare a dp =0,7 la tensiunea nominală sau de dp = 0,4 la o tensiune menținută la 110 % din tensiunea nominală sunt tolerabile.

C.Surse de intenarmonici:

Interarmonicile pot să apară fie sub formă de frecvențe discrete, fie sub formă de spectru cu bandă larga. Frecvența acestor armonici de curent și de tensiune nu este un multiplu întreg față de frecvența fundamentală iar fenomenul de apariție al lor este totuși puțin probabil și poate să fie luat în calcul.

Sursele de interarmonici se găsesc atât în rețelele de joasă tensiune cât și în cele de medie și de înaltă tensiune. Interarmonicile produse de sursele de joasă tensiune influențează aparatele racordate la acest nivel de tensiune, pe când interarmonicile generate la medie și înaltă tensiune se propagă prin rețelele de joasă tensiune pe care le alimentează. Sursele principale sunt convertizoarele de frecvență statică, cicloconvertizoarele, cascadele hiposincrone (subsincrone), motoarele asincrone, mașinile de sudură (în rețelele de joasă tensiune), cuptoarele cu arc (în rețelele de medie și înaltă tensiune).

Se menționează că, deși până în prezent nu a fost studiat în detaliu, ca în rețelele de joasă tensiune există de asemenea un zgomot de fond interarmonic de nivel redus (în jur de 0,01 % – 0,02 % UN) chiar în absența surselor locale de interarmonici.

Convertizoarele de frecvență (convertizoarele) indirecte transformă tensiunea rețelei într-o tensiune alternativă de frecvență diferită de cea inițială. Ele se constituie în doua niveluri: nivelul de redresare alternativ-continuu și nivelul invertor continuu-alternativ. Convertizoarele de frecvență statice sunt utilizate în principal pentru acționările la frecvența variabilă la puteri de câteva zeci de KW, când sunt racordate direct la joasă tensiune, iar la acționări mai importante racordarea se face la medie tensiune prin transformatoare proprii.

Frecvențele armonicii și interarmonicilor se exprimă prin formula urmatoare:

unde:

p1 – numărul de faze al redresorului;

p2 – numărul de faze al invertorului;

m –un număr întreg 0,1,2,3,…;

n – un număr întreg 0,1,2,3,…;

F – frecvența de iesire;

F1 – frecvența fundamentală a rețelei (50 Hz sau 60 Hz);

Fh -frecvența produsă cu cele doua componente; armonică sau interarmonică.

Combinațiile de valori dintre p1, m și respectiv p2, n și F permit să se obțină armonici și interarmonici. Frecvențele interanmonice cu cele mai mari amplitudini sunt:

Cicloconvertizorul este un convertizor electronic de mare putere (de ordinul MW) care absoarbe o putere trifazată sau monofazată de joasă frecvență (în general inferioară frecvenței de 15 Hz) pentru antrenarea la viteze mici. El se compune din două sau mai multe redresoare comandate, racordate în punte. Formula frecvențelor armonice și interarmonice este aceeași ca la convertizoarele statice de frecvență. Spectrul de frecvență al curentului de alimentare este în principal compus din armonici caracteristice de frecvență:

unde:

fch – frecvențe armonice caracteristice corespunzătoare numarului de faze a redresorului de alimentare.

La aceste armonici (fch) se adaugă 2nF-pentru sarcini monofazate și 6nF – pentru sarcini trifazate cicloconvertizoare, adica:

fh = fch + 2nF

sau

fh = fch + 6nF

unde :

fh, p1, m, n, f1, F au semnifcațiile menționate mai sus.

Cicloconvertizoarele produc frecvențe discrete în gama 0 Hz- 1000 Hz cu un maximum de tensiune de ordinul 0,5 % Un, atingând valori mai mari la rezonantă.

Cascada subsincronă (hiposincronă) este utilizată pentru reglarea vitezei unui motor asincron contribuind și la reducerea nivelului de pierderi când acesta functionează în afara condițiilor normale. Convertizorul de frecvență se racordează între bornele motorului și linia electrica de alimentare a statorului motorului. Generarea de interarmonici, deși slabă, provenita de la stator și respectiv rotor este dată de formulele:

unde:

p1 – numărul de faze ale redresorului conectat la sursa de curent alternativ;

pr – numărul de faze ale redresorului pentru rotor (pr = 6);

VS-viteza sincronă;

VA-viteza actuală;

S –alunecarea.

Motoarele asincrone pot să absoarbă un curent de magnetizare neregulat datorită crestăturilor din stator la care, uneori, se adaugă și fenomenele de saturație ale circuitului magnetic. Fenomenele acestea sunt însoțite de producerea de interarmonici în rețelele de joasă tensiune cu frecvențe cuprinse între 500 Hz și 2000 Hz, cu tendința de a baleia toată gama de frecvențe pe perioada de pornire.

Interarmonicile sunt astfel produse mai ales în cazul în care motoarele sunt instalate la capătul unor linii de joasă tensiune lungi (mai lungi de 1 Km), situație în care tensiunile interarmonice măsurate au atins 1% Un și pot perturba receptoarele de comandă.

Mașinile de sudat cu arc și cuptoarele cu arc produc de asemenea un spectru continuu de banda largă. Utilizarea lor este un proces intermitent a carui durată poate fi de ordinul secundelor și în afara producerii de interarmonici, dificil de măsurat încă, poate fi și cauza vibrațiilor de tensiune de tip flicker. În această situație valoarea redusă a impedanței rețelei este importantă pentru a menține la un nivel scăzut tensiunile interarmonice și variația bruscă de tensiune (flicker). Efectele interarmonicilor se resimt prin perturbarea receptoarelor de telecomandă. Pentru evitarea pertunbațiilor asupra receptoarelor de telecomandă se utilizează circuite de absorbție (rezonanțe serie) acordate pe frecvența de telecomandă, plasată convenabil în rețea.

Apariția frecvențelor discrete interarmonice poate fi însoțită de fenomenul de flicker, în plus aceste frecvențe pot produce o modulație de amplitudine a fundamentalei care devine perceptibilă dacă frecvența de modulație este apropiată de 10Hz.

Lămpi cu descărcări

Forma curentului absorbit din rețea de aceste receptoare depinde de tipul lămpii, producător, putere, tipul balastului (magnetic, eletronic, electronic cu filtre de armonici) și schema de montare. Tabelul prezinta curenții armonicii ce caracterizează funcționarea unui tub fluorescent cu balast magnetic.

Niveleul curenților armonici pentru o lampă cu descărcări în gaze

și vapori de mercur la joasă presiune

Lămpile fluorescente compacte (CFL) s-au impus în ultimii ani ca o alternativă promițătoare a lămpilor cu incandescență în vederea reducerii consumului de energie electrică în instalatiile de iluminat; ca urmare, ele au fost promovate prin programe DSM în multe țări. Studiile efectuate au arătat însă că ele reprezintă un consumator puternic deformant și pot avea (prin număr și deci putere instalată) un impact semnificativ asupra sistemelor de distribuție de joasă tensiune. O serie de rezultate obținute în urma măsurătorilor experimentale sunt prezentate in tabelul urmator:

4.4. Măsurarea armonicilor:

Ori de câte ori trebuie rezolvată o problemă de poluare armonică într-un sistem existent, informațiile referitoare la condițiile practice existente în rețea nu pot fi obținute decât prin măsurători in situ. Cantitatea și precizia datelor obținute sunt într-o evidentă relație de interdependență cu metoda de măsurare și echipamentele utilizate.

În general prezintă interes următoarele tipuri de semnale:

Armonici cvasistaționare (lent variabile);

Armonici fluctuante;

Armonici foarte rapid variabile;

Interarmonici și alte componente necaracteristice.

Pentru realizarea măsurătorilor, normativele de referință indică recomandări pentru caracteristicile intrărilor de tensiune și de curent electric și procedurile de măsurare ale unor indicatori ai regimului deformant.

Măsurarea curentului în punctul de delimitare reprezintă una din cele mai utilizate metode pentru evaluarea poluării armonice pe care un consumator o provoacă în rețeaua de alimentare. Din păcate, ea furnizează doar rezultate aproximative deoarece curentul măsurat este suma vectorială a curenților armonici produși de consumator și a celor existenți în sistem. Deoarece contribuția sistemului nu poate fi identificată, întreaga deformare este atribuită consumatorului.

Acestă ipoteză se acceptă doar din punct de vedere tehnnic, deoarece, în cazurile în care se impun determinări de calitate a energiei electrice, contribuția curenților armonici generați de consumatorul care are receptoare neliniare este preponderentă iar contribuția sistemului energetic determină, de obicei, o diminuare a curenților armonici măsurați în punctul de racord al consumatorului. Ca urmare, neglijarea contribuției rețelei de alimentare determină erori care sunt în favoarea consumatorului.

Măsurătorile de regim armonic presupun, în multe situații, utilizarea transformatoarelor de măsură existente în instalațiile electrice. Din păcate, acestea sunt concepute și construite pentru o funcționare corectă la frecvența fundamentală a rețelei, răspunsul în frecvență fiind total neglijat. Studiile experimentale au evidențiat faptul că transformatoarele de tensiune inductive introduc erori semnificative la măsurarea semnalelor cu frecvențe de peste 500Hz. În cazul transformatoarelor capacitive situația este chiar mai gravă, curba de răspuns prezentând variații importante de amplitudine pentru frecvențe inferioare celor menționate anterior.

Curenții armonici sunt măsurați cu transformatoare de curent; din fericire, în acest caz punctele de rezonanță ale curbelor de răspuns sunt caracterizate prin frecvențe mai mari de 5 kHz.

În concluzie, utilizarea transformatoarelor capacitive nu este recomandată pentru măsurarea tensiunilor armonice. De asemenea, majoritatea transformatoarelor cu circuit magnetic prezintă erori importante pentru frecvențe de ordinul sutelor de Hz. Cele mai sigure rezultate în măsurarea armonicilor de tensiune se obțin prin utilizarea unor divizoare capacitive de tensiune. Prin contrast, măsurarile de curenți armonici nu crează probleme deoarece transformatoarele de curent uzuale oferă o precizie suficientă

Pentru evitarea problemelor menționate anterior, s-a încercat implementarea unor traductoare bazate pe noi principii de functionare, caracterizate printr-o caracteristică de răspuns corespunzătoare pentru frecvențe de cel puțin 2500Hz. Astfel, în domeniul tensiunilor înalte și foarte înalte se folosesc traductoare optice iar în domeniul tensiunilor medii și joase, traductoare cu efect Hall.

Capitolul 5.

Solutii clasice

pentru reducerea poluarii armonice

În conformitate cu reglementările în vigoare, regimul deformant se definește ca fiind regimul permanent de funcționare al rețelelor electrice de tensiune alternativă care alimentează elemente deformante. Elementul deformant este un receptor care produce sau care amplifică tensiunile armonice. Practic, poluarea armonică a unui sistem electroenergetic devine o problema dacă:

Sursa de curenți armonici este prea puternică;

Porțiunea din sistem parcursă de aceștia este prea lunga (din punct de vedere electric), rezultând fie o distorsiune inadmisibilă a tensiunii din sistem, fie interferențe inacceptabile cu alte sisteme (în general interfețe telefonice);

Răspunsul în frecvență al sistemului accentuează una sau mai multe armonici.

Având în vedere consecințele negative ale prezenței regimului deformant, este necesară inițierea unor acțiuni care să reducă, sau chiar să anuleze, acest regim de funcționare. Obțiunile principale pentru atingerea acestui obiectiv sunt:

Diminuarea curenților armonici produși de sarcinile neliniare;

Limitarea zonei parcursă de curenții armonici;

Modificarea răspunsului în frecvență al sistemului energetic;

Montarea de filtre care să reducă circulația bidirecțională a curenților armonici între sistemul de alimentare și instalația de distribuție a consumatorului.

În prezent în acest scop se folosesc o mare diversitate de metode, sintetizate in tabelul de mai jos, cu exemplificari pentru câteva receptoare deformante întâlnite frecvent în aplicațiile industriale.

Soluții pentru reducerea regimului deformant

Soluțiile clasice pentru reducerea regimului deformant se bazează pe utilizarea componentelor pasive (bobine, condensatoare, transformatoare) sau pe intervenții asupra configurației și/sau structurii sistemului de alimentare cu energie electrică a consumatorului în scopul reducerii nivelului de distorsiune al tensiunii în punctul de racord cel mai încărcat.

5.1. Reducerea curenților armonici generați în sistem:

Deși pare optiunea cea mai evidentă, pentru echipamentele existente se poate face prea puțin în acest sens, cu excepția cazurilor în care acestea sunt exploatate necorespunzător. Dacă, de exemplu, un transformator saturat poate fi readus în regim normal de funcționare prin reducerea tensiunii de alimentare, receptoarele cu arc electric sau convertoarele electronice au puncte de funcționare destul de rigide, impuse prin procesul de proiectare.

Progresele tehnologice realizate în electronica de putere au permis îmbunătățirea situației în acest domeniu, soluțiile disponibile fiind discutate în capitolul urmator. În continuare se prezintă cateva metode clasice utilizate pentru reducerea curentilor armonici generati de receptoare bazate pe electronica de putere.

Montarea de bobine la intrarea în convertor:

În cazul acționării reglabile la care condensatorul din circuitul de tensiune continuă este încarcat de la rețea printr-o impedanță neglijabilă, montarea unor bobine la intrarea convertorului va conduce la o diminuare sensibilă a armonicilor curentului absorbit din sistem, în plus, se constată o înbunătățire a comportării în regim tranzitoriu a echipamentului. Pentru redresoarele cu filtru de iesire L – C, prezența bobinei asigură o reducere semnificativă a armonicilor.

Valoarea reactanței de intrare se calculează cu relația:

unde: IL – reprezintă curentul de linie al convertorului ;

ISC – reprezintă curentul de scurtcircuit în punctul de racord.

Utilizarea metodelor multipuls :

Metodele miltipuls presupun conectarea corespunzatoare a mai multor mutatoare astfel încat armonicele produse de un convertor să fie anulate de armonicele produse de celelalte echipamente. Ca urmare, în funcție de numărul de convertoare utilizate, curentul absorbit din rețea nu va mai conține anumite armonici; în plus are loc și o reducere a ondulației curentului redresat.

Transformatoarele cu modificare a fazei reprezinta elementul de baza al sistemelor multipuls: deoarece curenții armonici ai diferitelor convertoare se însumează vectorial în punctul comun de racord, transformatoarele asigură mecanizmul necesar anulării unor perechi de armonici.

Solutie pentru diminuarea armonicilor de rang 5 si 7

Se observă că cele doua redresoare sunt alimentate din doua transformatoare diferite: unul de tip Δ/Y la care sistemul de tensiuni secundare este defazat cu 300 față de sistemul din primar și celălalt de tipY/Y (sau Δ/Δ) care nu induce nici un defazaj. Ca urmare armonicile de rang 5 și 7 absorbite de cele doua convertoare vor fi în opoziție de faza și teoretic, dacă sarcinile sunt identice, se anuleaza reciproc; din punct de vedere al sistemului energetic, acesta va alimenta un convertor echivalent cu 12 pulsuri.

În realitate valorile armonicilor caracteristice diferă pentru cele două redresoare datorită asimetriilor constructive, timpilor de comutație și al filtrajului imperfect în circuitul de ieșire; în plus se constată și defazaje diferite ale armonicilor omoloage astfel încat, în realitate, are loc doar o atenuare puternică a armonicilor amintite și nu o eliminare a acestora. Chiar și în aceste condiții, soluția este mult utilizată pentru instalațiile de mare putere din industria electrochimică sau în acționările reglabile.

Ea poate fi generalizată prin creșterea numărului de redresoare și de transformatoare, cu alegerea corespunzătoare a defazajelor; pentru instalațiile de electroliză s-au realizat redresoare echivalente cu până la 72 de faze. În figura de mai jos este indicată modalitatea de obținere a unui convertor echivalent de 18 pulsuri prin legarea în paralel a 3 redresoare trifazate în punte;

Convertor echivalent cu 18 pulsuri

5.2.Limitarea zonei parcursă de curenții armonici:

Soluția urmărește reducerea parții din sistem în care circulă curentii armonici, de obicei, la o parte din instalația de distribuție a consumatorului. Se cunoaște că în cazul unui transformator având conexiunea Δ în primar, curenții armonici de rang 3n nu vor patrunde în sistemul de alimentare, închizându-se prin înfasurarea de înaltă tensiune a transformatorului, care va trebui deci dimensionată corespunzător.

Acest dezavantaj poate fi eliminat prin utilizarea unui transformator cu conexiune stea (fara neutru) /zig-zag în primarul acestuia, cum reiese din desenul de mai jos, armonica corespunzătoare armonicii de rang 3 a curentului secundar anulându-se. Pentru un transformator având N1 spire în primar și N2 spire în secundar, curentul pe faza A a primarului are expresia:

Transformator stea/zig-zag pentru eliminarea armonicii

de rang 3 în primar

Dacă:

și

Soluțiile menționate anterior pot fi regăsite și sub forma transformatoarelor de adaptare (raport de transformare 1:1) care, racordate la un tablou de distribuție de joasă tensiune, evită circulația curenților armonici produși de un receptor deformant în restul rețelei de distribuție a consumatorului.

5.3.Modificarea răspunsului în frecvență a sistemului energetic:

Modificarea răspunsului în frecvență al sistemului energetic definește generic un grup de metode care urmaresc fie micșorarea impedanței echivalente în punctul de racord al unui consumator deformant, fie deplasarea punctului de rezonanța al sistemului spre valori care nu corespund armonicilor existente sau injectate în sistem.

Principalele soluții sunt prezentate în continuare:

Micșorarea impedanței echivalente în punctul de racord

Această metodă se bazează pe modificarea impedanței de scurtcircuit (impedanței echivalente) în punctul de racord al receptorului neliniar (RN) sau al consumatorului la care se găsește acesta. În desenul de mai jos este indicat punctul de racord al receptorului neliniar, alimentat din bara de joasă tensiune (JT), unde pentru orice frecvență este valabilă relația:

Neglijând pierderile ohmice în rețeaua de alimentare și în transformator, relația de mai sus poate fi scrisă cu ajutorul reactanțelor corespunzătoare. Pentru frecvența nominală a rețelei, dacă nu se face o analiză detaliată a sistemului de alimentare și se admite ipoteza unui regim de functionare echilibrat, reactanța acestuia se calculează cu formula:

unde:

U este tensiunea de linie în secundarul transformatorului (tensiunea de alimentare a consumatorului neliniar);

SSC este puterea de scurtcircuit la bara de înaltă tensiune.

Similar, reactanța echivalentă a transformatorului se determină din:

unde:

ST -este puterea aparentă nominală a transformatorului;

usc –tensiunea de scurtcircuit a acestuia.

Impedanța echivalentă de scurtcircuit în punctul de racord devine:

Pentru cazul de mai sus, valorile efective ale armonicilor de tensiune se calculează cu relația:

valoarea efectivă a tensiunii de fază în punctul de racord fiind

unde:

n –este rangul armonicii;

Zsc-este impedanța echivalentă de scurtcircuit (pe fundamentală);

In –este valoarea efectivă a curentului armonic absorbit;

N –este numărul armonicilor luate în calcul (de obicei 40).

Coeficientul global de distorsiune al tensiunii se determină cu:

unde:

– reprezintă nivelul armonicilor de tensiune de rang n;

Un –tensiunea armonică de rang n;

U1 –tensiunea pe fundamentală.

Se observă că valoarea efectivă a armonicilor tensiunii rețelei poate fi micșorată prin diminuarea impedanței de scurtcircuit în punctul de racord, respectiv prin diminuarea celor două componente ale acesteia. Micșorarea impedanței sistemului, la barele de înaltă tensiune ale transformatorului de alimentare, este o sarcina mai dificilă deoarece presupune modificări în structura sistemului de transport și distribuție a energiei electrice și deci realizarea unor operații și/sau manevre care revin furnizorului; în plus, acestea ar putea determina reducerea puterii de scurtcircuit la barele de alimentare ale altor consumatori.

O soluție mai convenabilă constă în micșorarea impedanței transformatorului, acesta reprezentând componenta majoră a impedanței echivalente în punctul de racord al receptorului neliniar; uzual operația se realizează prin înlocuirea transformatorului existent cu un transformator de putere mai mare.

După montarea transformatorului de putere mai mare , se obține:

Presupunând că tensiunea de scurtcircuit ramâne aceiași (cazul uzual), impedanța echivalenta scade la valoarea:

iar valorile efective ale armonicilor de tensiune devin:

coeficientul global de distorsiune calculându-se cu relația:

Raportul coeficienților de distorsiune în cele doua cazuri este:

adică:

Raportul fiind subunitar, se poate constata eficiența utilizării unui transformator de putere mărită pentru reducerea nivelului poluării armonice. Ca dezavantaj al acestei metode subliniez:

Creșterea investițiilor necesare pentru realizarea sistemului de alimentare cu energie electrică;

Subîncărcarea transformatorului (dacă schimbarea puterii nu este însoțită de creșterea consumului), cu efecte negative asupra puterii reactive vehiculate și deci a pirderilor de putere activă în sistem.

5.4.Filtre de armonici:

Filtrele de armonici reprezintă soluția cea mai utilizată pentru reducerea poluării armonice a sistemelor electroenergetice și urmăresc evitarea patrunderii armonicilor de curent din rețeaua consumatorilor în rețeaua de alimentare și invers. În acest capitol voi trata soluțiile realizate din elemente reactive pasive (rezistoare, bobine și condesatoare), cunoscute deci sub denumirea de filtre pasive.

În ultimii 60 de ani, filtrele pasive au fost utilizate pe scară extinsă pentru diminuarea regimului deformant datorită avantajelor pe care le prezintă: structura simplă și robustă, preț redus, nu necesită operații de întreținere etc. Chiar și în ultimii ani, când filtrele active s-au impus ca cea mai eficientă soluție de păstrare a calității energiei electrice, mulți specialiști le preferă datorită aspectelor economice care le sunt net favorabile. Principalul dezavantaj al filtrelor pasive îl reprezintă potențialele interacțiuni negative cu sistemul de alimentare (fenomene de rezonanța determinate de elementele reactive din componența filtrului).

Ele sunt de fapt circuite cvadripolare pasive a căror constantă de atenuare este mică în anumite intervale de frecvență numite intervale sau benzi de trecere; în celelalte intervale de frecvență (numite de eliminare sau de oprire), constanta de atenuare este foarte mare. Având în vedere această particularitate funcțională, filtrele pot fi rerfulante sau absorbante, respectiv trece jos, trece sus, trece bandă, opreste bandă și tip pieptene.

Un exemplu tipic de filtru refulant îl reprezintă bateria de condensatoare cu bobina antiarmonică, ansamblul prezentând o impedanță ridicată pentru frecvențele mai mari decât frecvența de acord; ca urmare, curenții armonici existenți în sistem sunt mult atenuati la trecerea lor prin filtru.

Filtrele refulante pot fi realizate și sub forma filtrelor serie; acestea urmăresc blocarea circulației curenților armonici între diferite părti ale sistemului (de obicei împiedică pătrunderea în rețeaua consumatorului a armonicilor existente în sistemul de distribuție). Realizat sub forma unui circuit rezonant paralel (caracterizat printr-o impedanță ridicată la frecvența de acord), acest tip de filtru este mai putin utilizat deoarece este parcurs de întreg curentul de sarcina (nu numai de armonici), este dificil de izolat și produce o deformare accentuată a tensiunii la bornele consumatorului.

Filtrele absorbante prezintă o impedanța redusă (aproape nulă) la una sau mai multe frecvențe. Fiind montate în paralel cu sursa de armonici (și cu sistemul de alimentare), sunt cunoscute și ca filtre paralel sau filtre shunt și urmăresc scurcircuitarea armonicilor de curent cât mai aproape de echipamentul care le produce; se evită în acest fel pătrunderea armonicilor în rețeaua distribuitorului și deformarea tensiunii acesteia.

Având în vedere costul ridicat al filtrelor serie și faptul că filtrele shunt pot asigura și compensarea factorului de putere pe fundamentală, în aplicațiile industriale se întâlnește numai a doua variantă, montată în medie sau joasă tensiune. Locul de amplasare trebuie ales astfel încât să se maximizeze performanțele de reducere a distorsiunii armonice și să minimizeze costul echipamentului și pierderile de energie din sistem. Deși plasarea filtrului cât mai aproape de receptorul deformant (la același nivel de tensiune, eventual chiar la bornele acestuia) pare soluția optimă, trebuie menționat că, pentru orice poziție de montare, există atât avantaje cât și dezavantaje; din această cauză, se recomandă analiza comparativă, pe criterii tehnice sau economice a diferitelor variante posibile.

În desenul de mai jos putem vedea posibilițatile de amplasare a filtrelor de armonici într-un circuit

Tipuri de filtre pasive absorbante:

Există două clase de filtre pasive shunt și anume:

filtre acordate (rezonante);

filtre trece-sus.

În desenul de mai jos sunt exemplificate fitrele acordate ( a); filtru trece sus de ordinul 1 (b); filtru trece sus de ordinul 2 (c); filtru trece sus de ordinul 3 (d); filtru trece sus de tip C.

Filtru acordat (rezonant) sau filtru trece bandă de ordinul 1

Este cel mai utilizat în aplicațiile industriale și constă în condensatoare conectate în serie cu bobinele de reactanță (rezistența care apare în desenul (a) este rezistența echivalenta a bobinei și a conductoarelor de legătura). Elementele filtrului sunt astfel determinate încât acestea să prezinte rezonanță serie pentru una din armonicile existente în sistem.

Deoarece impedanța filtrului are forma

Zf = R + j x ( ωL – 1/ωC ),

frecvența la care este acordat filtrul se determina din relația:

ordinul armonicii de acord a filtrului RLC serie fiind

unde ω1 este pulsația armonicii fundamentale.

În general, filtrul absorbant se montează în punctul de racord al consumatorului (receptorului deformant).

Dispunerea filtrului:

schema principala si schema electrica echivalenta

Examinarea răspunsului în frecvență al filtrului acordat scoate în evidență următoarele caracteristici:

la frecvența fr pentru care este acordat filtrul, acesta are impedanța minimă, determinând scurtcircuitarea armonicii de curent de această frecvență (filtrul oferă o cale de trecere de o impedanță mult mai mică decât sistemul – rezonanța serie). Ca urmare, armonica de tensiune de aceiași frecvență va avea o valoare efectivă redusă, aceasta fiind proporțională cu rezistența filtrului;

dacă sistemul de alimentare este inductiv (cazul uzual în practică), impedanța ansamblului are o valoare ridicată la frecvența fap mai mică decât frecvența la care a fost acordat filtrul (fenomen de rezonanță paralel);

peste frecvența de acord, impedanța crește cu frecvența.

Eficacitatea filtrului acordat se exprimă cu ajutorul factorului de calitate, care se definește prin relația:

unde:

ωr este pulsația de rezonanță;

ω1,ω2 – pulsațiile corespunzătoare unei valori a impedanței filtrului de .

Rezultă:

,

în care se numește impedanța caracteristică

Banda de trecere în frecvență a filtrului acordat se consideră:

unde f este frecvența corespunzătoare pulsației ω1. Un filtru eficient trebuie să conțină bobine având un factor de calitate de valoare ridicată, adică R << XL ; valorile uzuale sunt Q=75 pentru bobine în aer și Q > 75 pentru bobinele cu miez de fier. În practică, având în vedere rezistențele suplimentare corespunzătoare pirderilor, în bateria de condensatoare și conductoarelor de legătură, factorul de calitate al unui filtru acordat are valori de 20….30.

Filtrele acordate se prevăd începând cu armonica de rangul cel mai mic, având în vedere că aceasta are cea mai mare valoare efectivă (în sistemele industriale, de obicei, este vorba de rangul 5); dacă este nevoie, se instalează astfel de filtre și pentru armonici superioare (dar nu mai mult de trei filtre) având grijă ca fenomenul de antirezonanță paralel să nu determine amplificări nedorite.

Tensiunea la bornele condensatorului din filtru este:

iar tensiunea armonică de ordin n pe condensatorul C din filtrul acordat este:

în cele două relații:

N este numărul maxim de armonici luate în considerație (de obicei N=40)

este tensiunea armonică de rang n la bornele condensatorului C;

este tensiunea armonică de ordin n la bornele filtrului;

dacă R=0 și N=1, adică pe fundamentală, avem:

unde nr este ordinul armonicii la care este acordat filtrul.

Filtrele trece bandă oferă urmatoarele avantaje:

diminuează fenomenul de antirezonanță;

reduc amplitudinile tensiunilor armonice de frecvență egală sau superioară frecvenței de acord (impedanța redusă pentru un spectru larg de frecvențe), de unde și numele de filtre trece-sus;

amortizează rapid regimul tranzitoriu la punerea sub tensiune a filtrului;

reducerea costului și a spațiului din instalațiile electrice datorită folosirii unui singur filtru trece-sus în loc de mai multe filtre LC serie;

întretinere simplă;

nu este necesar un reglaj pentru acordarea filtrului;

sunt mai putin sensibile la variatiile de temperatură și frecvență, respectiv la abaterile valorilor componentelor pasive.

Ca dezavantaje trebuiesc menționate urmatoarele :

pentru aceleași performanțe de filtrare necesită condensatoare de capacitate mărită;

pierderi mai mari datorită prezenței rezistoarelor.

Există patru configurații de filtre trece-sus, prezentate în desenul de mai jos, asupra cărora facem urmatoarele comentarii generale:

filtrul de ordinul I se utilizează extrem de rar deoarece necesită un condensator de valoare foarte mare iar pierderile pe fundamentală sunt inacceptabile;

filtrul de ordinul II oferă cea mai bună filtrare dar pirderile pe fundamentală sunt ceva mai mari decât la filtrul de ordinul III (totuși este cel mai utilizat în aplicațiile practice);

filtrul de ordinul III are cele mai mici pierderi la frecvența fundamentală (datorită condensatorului C2) dar nu filtrează suficient de fin armonicile nedorite;

filtrul de tip C se caracterizează prin pierderi foarte mici pe fundamentală (ramura C2-L acordată la 50 Hz scurcircuiteaza rezistenta R); performanțele sunt însă puternic afectate de modificările frecvenței și ale valorii componentelor.

filtrul trece sus de ordin II

impedanța filtrului de ordin II este

Zf=

Frecvența de rezonanță corespunzătoare filtrului se calculează cu relația:

,

iar factorul de calitate este:

.

În cazul filtrelor trece-sus, valoarea factorului de calitate se determină cu condiția obținerii celei mai bune caracteristici pentru banda de frecvență specificată; în aplicațiile industriale, Q=0.5…2, filtrarea este mai pronunțată în jurul frecvenței de rezonanță; pentru valori mai mici, impedanța filtrului la frecvențe mai mari decât frecvența de rezonanță este aproximativ constanta.

Raspunsul in frecventa al unui filtru trece sus de ordin II

pentru diferite valori ale factorului de calitate

Tensiunea condensatorului C în filtrul trece sus de ordin II este:

,

având tensiunea armonică de ordin n:

,

unde:

N este numărul de armonici luate în considerare;

este tensiunea armonică de ordin n pe condensatorul C;

este tensiunea armonică de rang n pe filtru;

nr este ordinul armonicii la care este acordat filtrul;

b) Filtrul trece sus de ordin III

Filtrul trece sus de ordin III este prezentat în desenul de mai sus și se caracterizează prin reducerea considerabilă a pierderilor de putere activă pe fundamentală datorită condensatorului C2 conectat în serie cu rezistența R, configurație care determină creșterea impedanței ramurii respective.

În ipoteza C1 = C2 = C , impedanța filtrului trece sus de ordin III este:

Zf = ,

adică:

Zf =

unde ω este pulsația la frecvența de lucru.

Filtrul are două frecvențe de rezonanță care se obțin prin anularea parții imaginare a impedanței, adica,

rezultă fecvența de rezonanță

Se observă că cea de a doua frecvență există numai în cazul în care: L >

Introducând notațiile și , impedanța filtrului, la pulsația de rezonanță ωH, este :

Zf (ωH) =

Factorul de calitate se definește ca raportul dintre reactanța capacitivă și rezistența filtrului, la pulsația de rezonanță, adică,

unde nH este ordinul armonicii la care este acordat filtrul.

Caracterul reactantei filtrului

Reactanța filtrului are caracter inductiv sau capacitiv în funcție de parametrul m, precum și de ordinul armonicilor n/n0; tabelul de mai sus prezintă influența celor două mărimi asupra caracterului reactanței filtrului trece sus de ordin III.

Deoarece reactanța filtrului este capacitivă pentru armonicile de ordin

iar impedanța rețelei electrice are caracter inductiv în același timp, pot aparea rezonanțe paralel care, la randul lor, determină amplificarea armonicilor de curent. Pentru a evita un astfel de fenomen este recomandat să se aleagă m ≤ 0.5, cea ce face ca impedanța filtrului să fie inductivă pe armonicile de ordin n/n0 ≥ 1/√m .

Micșorarea valorii parametrului m se realizează prin creșterea capacitații C a condensatoarelor sau prin creșterea valorii rezistentei R; în cazul ultimei soluții, aptitudinea filtrului de a atenua armonicile scade, fapt care trebuie evitat pe cât posibil.

c) Filtrul C

Structura de bază a unui filtru C este prezentată în desenul de mai jos, particularitatea sa constând în montarea unei capacitați C2 în serie cu bobina de reactanță L. Acest condensator (C2), denumit și condensator auxiliar, este astfel determinat încât, pe fundamentală, reactanța sa este egală cu cea a bobinei X.

Filtru de tip C si raspunsul in frecventa a filtrului C

Filtre hibride:

Acestă categorie de filtre a rezultat prin combinarea filtrelor active cu cele pasive în scopul obținerii cu costuri mai scăzute a unor structuri mai eficiente.

Comanda filtrelor active:

Strategiile de control ale filtrelor active au un mare impact asupra funcționării acestora, punându-și amprenta asupra funcțiilor îndeplinite, puterii aparente și comportării filtrului în regim staționar și tranzitoriu. Strategia de comandă a unui filtru activ are practic trei componente:

alegerea mărimii din care urmează să fie extrase informațiile necesare controlului filtrului;

algoritmul utilizat pentru identificarea compoziției spectrale a undei de tensiune și/sau curent în punctul de racord și sintetizarea semnalului de referință necesar sistemului de conducere al convertorului;

tehnica de control a convertorului static de putere, astfel încât aceasta să sintetizeze semnalul de tensiune/curent dorit.

Pentru extragerea armonicilor (curent sau tensiune) din semnalele distorsionate se utilizează în principal două teorii:

analiza în domeniul frecvență, Fourier;

analiza în domeniul timp, bazată pe trecerea în sistemul de coordonate Clarke, (α,β) și conceptul de putere imaginară instantanee, introdus de dr. Akagi.

Alegerea mărimii din care urmează să fie extrase informațiile necesare controlului filtrului depinde de tipul și locul de amplasare al acestuia, fiind utilizate de regulă următoarele variante:

curentul măsurat după punctul de racord, (a) ;

curentul măsurat înainte de punctul de racord, (b) ;

tensiunea măsurată în punctul de racord, (c).

Variantele a și b sunt utilizate de filtrele active paralel, destinate compensării unor consumatori neliniari de mare putere; varianta c este utilată pentru filtrele active paralel integrate în structuri de tip paralel-serie instalate în stațiile de transformare ale sistemului sau pentru filtre active paralel instalate în sistemul de distribuție; varianta b este asociată cu filtrele active serie

În mod uzual filtrele active de tip paralel sunt utilizate pentru compensarea armonicilor de curent și a energiei reactive, asociate unei sarcini neliniare.

Capitolul 6

Mijloace moderne pentru compensarea

poluării armonice

Dezvoltarea tehnologiei dispozitivelor semiconductoare, caracteristică ultimelor decenii, și-a pus amprenta și asupra tehnicilor și echipamentelor utilizate în scopul reducerii regimului deformant. Astfel, alături de abordările tradițiionale bazate pe utilizarea componentelor pasive, s-au dezvoltat, fiind astazi aplicate cu succes și pe scara din ce în ce mai largă, mijloace moderne de combatere a poluării armonice, bazate pe dispozitive și circuite electronice semiconductoare specializate, de înaltă performanța.

În funcție de modul de acțiune, soluțiile moderne pentru reducerea poluării armonice se împart în două mari categorii:

utilizarea convertoarelor statice cu absorbție sinusoidală;

compensarea / atenuarea poluării armonice prin filtrarea activă.

6.1. Convertoare statice cu absorbție sinusoidală :

În majoritatea cazurilor, circuitul de intrare la convertoarele statice alimentate de la rețeaua electrică de distribuție este un redresor cu filtru capacitiv, al carui condensator se încarcă în apropierea valorii de vârf a tensiunii sinusoidale, curentul de intrare are forma unor pulsuri înguste, cu un continut ridicat de armonici (convertorul funcționând cu un factor de putere redus). Solutia adoptata pentru a obtine un curent absorbit (de intrare) sinusoidal constă în utilizarea unui circuit specializat, întâlnit și sub denumirea de preregulator cu corecția factorului de putere, circuit care în cele mai multe aplicații asigură și o stabilizare a curentului / tensiunii la ieșirea sa.

În funcție de modul de comportare cerut redresorului distingem doua situații posibile :

redresorul trebuie sa se comporte ca și o sursă de tensiune (convertor cu circuit intermediar de tensiune continuă), cazul întâlnit cel mai frecvent și detaliat în desenul de mai jos.

Schema electrică echivalentă a unui convertor cu redresor tip

sursă de tensiune, cu modulația impulsurilor în durată

redresorul trebuie să se comporte ca și o sursă de curent (convertor cu circuit intermediar de curent continuu), caz specific aplicațiilor care necesită o sursă de curent continuu bine reglată.

Schema electrică echivalentă a unui convertor cu redresor tip

sursă de curent, cu modulația impulsurilor în durată

Pentru convertoarele statice cu circuit intermediar de tensiune continuă și absorbție sinusoidală topologia circuitului preregulator poate să fie de tip:

buck (coborâtoare);

boost (ridicătoare);

buck-boost (inversoare).

Cea mai populara este topologia boost, ilustrată în desenul de mai jos, în varianta monofazata. Functionarea circuitului este urmatoarea:

când tranzistorul V1 se află în stare de conducție, curentul prin bobina L crește,

la blocarea tranzistorului V1, în ipoteza în care US > u, curentul prin bobina L începe să scadă,

.

Acest mod de funcționare permite ca prin controlul intrării în conducție/blocării tranzistorului V1 să se controleze evoluția în timp a curentului iL și implicit a curentului absorbit iA. La fel ca la varianta monofazată, comutatoarele circuitului trifazat de tip boost, sunt comandate astfel încât curenții absorbiți să urmarească semnalele sinusoidale de referință.

Preregulator cu reglarea factorului de putere, topologie boost,

trifazată – schema electrica de principiu

6.2. Filtrarea activă:

Primele cercetari ce sau concentrat asupra utilizării convertoarelor electronice în scopul filtrării armonicilor de curent și/sau tensiune, au avut loc în anii 70’. Tehnologia a primit denumirea de filtrare activă iar echipamentele construite în acest scop au fost denumite filtre active, conceptul fiind testat cu succes atât pentru sistemele de tensiune activă cât și pentru cele de tensiune continuă.

Un filtru activ reprezintă în esență un convertor static de putere realizat astfel încât :

să sintetizeze un semnal de curent sau tensiune de forma dorită, care este injectat/aplicat într-un anumit punct al unei rețele de tensiune alternativă;

să simuleze o impedanță dorită, respectând valorile solicitate ale modulului și argumentului.

Avantajele filtrelor active față de mijloacele convenționale (pasive) utilizate pentru reducerea poluării armonice a rețelelor electrice sunt în principal:

viteza de reacție ridicată;

flexibilitate în definirea și implementarea funcțiilor filtrului (filtrele active moderne sunt capabile să execute simultan mai multe funcții, care pot fi cu usurință activate/dezactivate sau modificate);

eliminarea problemelor de rezonanță ale ansamblului echipament pentru compensare – rețea de distribuție, caracteristice mijloacelor convenționale (filtre pasive, baterii de condensatoare, transformatoare etc.).

Cele mai cunoscute aplicații ale filtrelor active le constitue filtrarea (compensarea) armonicilor de curent și/sau tensiune și compensarea consumului de energie reactivă, dar performanțele circuitelor moderne de putere și comandă permit implementarea unor echipamente de mare complexitate, cu funcții multiple, care includ reducerea /compensarea întregii game de perturbații care pot afecta rețeaua electrică de distribuție precum și rezolvarea altor probleme de funcționare ale sistemelor electroenergetice cum ar fi amortizarea oscilațiilor de tensiune.

Potențialii utilizatori de filtre active pot fi împarțiți în două categorii:

consumatorii industriali cu un nivel ridicat de poluare armonică, cu scopul compensării armonicilor de curent, nesimetriei sistemului de curenți și consumul de energie reactivă;

companii de distribuție a energiei electrice, în stațiile de transformare sau pe liniile de distribuție a energiei electrice, cu scopul compensării armonicilor de tensiune și nesimetriei sistemului de tensiuni și de asemenea atenuării/blocării circulației armonicilor de tensiune și curent prin sistemul de distribuție.

Filtrele active de tensiune continuă urmaresc compensarea armonicilor de tensiune și/sau curent din:

circuitele de tensiune continuă ale convertoarelor statice de putere utilizate în sistemele de transport în tensiune continuă a energiei electrice;

circuite intermediare de tensiune/curent continuu ale convertoarelor de putere redresor-invertor utilizate în tracțiunea electrica.

Filtrele active de tensiune alternativă sunt destinate:

compensării armonicilor de curent generate de consumatorii neliniari către rețeaua de distribuție (protejează rețeaua de distribuție împotriva poluării de catre consumatori);

asigurării calității alimentării cu energie electrică a consumatorilor (protejează consumatorii împotriva diferitelor tipuri de perturbații propagate prin rețeaua de distribuție).

În prezent, atât din punct de vedere al utilizării cât și al cercetăriilor întreprinse în domeniu, accentul cade cu precădere asupra filtrelor de tensiune alternativă, termenul de filtru activ referind în majoritatea cazurilor acest tip de filtre.

Clasificarea filtrelor active este prezentata dupa anumite criterii in tabelul de mai jos:

Configurații și moduri de conectare a filtrelor active:

a) schema bloc a unui filtru activ – include în principal două module, unul de putere și unul de comandă.

Schema bloc a unui filtru activ (uFA, iFA, tensiunea sau curentul debitate

de un filtru activ în configurație serie respectiv paralel (shunt))

Circuitul de putere al unui filtru activ conține :

un convertor static de putere cu rolul de a sintetiza semnalul de tensiune sau curent necesar conpensării. Cea mai frecvent utilizată configurație pentru convertor este cea în punte integrala (monofazată sau trifazată) ;

un circuit de tensiune continuă sau curent continuu, cu rolul de stocare a energiei necesare compensării, al carui element de bază este un acumulator de energie de tip : (i) condensator sau acumulator (în cazul de tensiune continuă); (ii) bobina (în cazul circuitului de curent continuu).

Elementul reactiv prezent în această configurație stochează o anumită cantitate de energie pentru un interval scurt de timp, rolul său fiind practic acela de a menține la o valoare constantă tensiunea sau curentul aplicate la intrarea convertorului static de putere; există și configurații mai complexe în care energia necesară circuitului de tensiune continuă sau curent continuu este asigurată și reglată prin intermediul unui convertor dedicat acestei sarcini (în mod uzual un redresor).

Circuitul de comanda al unui filtru activ trebuie sa indeplineasca urmatoarele sarcini:

comanda convertorului static de putere în conformitate cu strategia de filtrare aleasă;

reglarea tensiunii/curentului în circuitul de intrare;

supravegherea regimului tranzitoriu al circuitului de intrare (încarcarea condensatorului la pornire).

b) Tipuri de convertoare statice de putere utilizate pentru implementarea filtrelor active – ele se împart în două categorii, în funcție de mărimea electrică aplicată la intrarea acestora, și anume:

convertoare cu circuit de intrare în curent continuu;

convertoare cu circuit de intrare în tensiune continuă.

b1) Convertoare cu circuit de intrare de curent continuu :

Schema electrică de principiu a acestui tip de convertor este prezentată mai jos și se caracterizează prin prezența la intrarea convertorului a unei surse de curent continuu implementate cu ajutorul unei bobine sau mai nou cu ajutorul unor elemente de stocare bazate pe materiale supraconductoare.

Schema electrica de principiu a conv. static de putere cu circuit de intrare de corent continuu utilizat pentru implementarea filtrelor active

Configurația are la bază un redresor cu tiristoare, în care tiristoarele au fost înlocuite cu comutatoare statice cu capabilitate de stocare în invers, care să permită comutația forțată. Datorită caracterului indictiv al rețelei de distribuție și al elementului de stocare a energiei schemele de acest tip necesită prezența unor condensatoare pe partea de tensiune alternativă, astfel încât sa fie posibilă obținerea unor pulsuri de curent. Circuitele de comandă relativ complicate precum și pierderile și gabaritele asociate bobinei din circuitul de stocare a energiei, fac aceasta configurație mai puțin atractivă, în prezent ea fiind utilizată îndeosebi în aplicații care includ sisteme de stocare a energiei pe bază de materiale supraconductoare.

b2) Convertoare cu circuit de intrare de tensiune continua:

Circuitul se caracterizeaza prin prezența la intrare a unei surse de tensiune continuă implementată uzual cu ajutorul unui condensator. Comutatoarele comandate din structura convertorului sunt de tip bidirecțional de curent și deci nu necesită capabilitate de blocare în invers.

Schema electrica de principiu a convertorului static de putere cu circuit de intrare de tensiune continuă utilizat ptr implementarea filtrelor active

c) Funcționarea și modul de conectare în rețea a filtrelor active:

Indiferent de configurație, în cele mai multe aplicații, un filtru activ reprezintă o sursă care trebuie să sintetizeze un semnal electric. În funcție de tipul semnalului, curent sau tensiune, rezulta modul de conectare la rețea al filtrului activ, paralel sau serie și denumirea acestuia, filtru activ paralel (shunt) respectiv serie. În contextul conceptului de management total al calitații energiei electrice au fost proiectate și realizate echipamente complexe care combină o structura de tip sursa de curent și una de tip sursa de tensiune, denumite filtre active paralel-serie, reunind funcțiile și performanțele ambelor scheme.

c1) Filtre active paralel:

Filtru activ de tip paralel – principiul de functionare

După cum se vede în desenul de mai sus, un filtru activ paralel este un echipament care realizează funcțiile unei surse de curent. Semnalul de curent sintetizat de filtru, iFA, este injectat în punctul de racord, prin aceasta urmarindu-se:

compensarea armonicilor de curent produse de consumator;

compensarea consumului de energie reactivă al receptorului;

amortizarea efectelor determinate de eventualele fenomene de rezonantă care pot să apară datorită unui filtru pasiv de tip paralel conectat în punctul de racord;

simetrizarea sistemului de curenți absorbit în punctul de racord.

Conectarea la rețeaua de distribuție a filtrului se realizează prin intermediul unui filtru inductiv realizat cu bobine.

Pentru ilustrarea performantelor filtrelor active de tip paralel, vă prezint în continuare un studiu de caz în care au fost evaluate caracteristicile semnalului de curent absorbit în punctul de racord înainte și după conectarea filtrului.

Compensarea curenților armonici generați de o sursă neîntreruptibilă trifazată, având puterea aparentă S = 120 kVA

Caracteristicile semnalului de curent pentru o sursă neîntreruptibila funcționând

în regim necompensat, respectiv compensat, cu filtrare activă

Implementarea și modul de conectare la rețea al unui

filtru activ paralel. Schema bloc.

c2) Filtre active serie:

Filtrul activ serie îndeplinește funcțiile unei surse de tensiune (semnalul sintetizat de filtru a fost notat cu uFA) care este conectată în serie cu rețeaua de distribuție prin intermediul unui transformator de adaptare.

Aspecte de calitate ale energiei electrice pentru care un filtru activ serie oferă soluții sunt:

distorsiuni ale semnalelor de tensiune ;

simetria sistemului de tensiuni ;

goluri și fluctuatii de tensiune ;

întreruperi de scurtă durata ale alimentarii cu energie electrică ;

fenomene tranzitorii de înaltă frecvență care perturba sistemul de tensiuni;

flicker;

reglarea valorii efective a tensiunii.

Conectarea la rețea a filtrului activ serie se face cu ajutorul unui transformator de adaptare a carui înfașurare primară se leagă în serie, între sursa de alimentare și sarcină.

Filtru activ de tip serie. Principiul de funcționare. Schema bloc pentru implementarea și modul de conectare la rețea a unui filtru activ serie.

c3) Filtre active de tipul paralel-serie.

Aceste echipamente complexe, care combină o structura de tip sursă de curent și una de tip sursă de tensiune, reunesc atât numele cât și funcțiile și performanțele filtrelor active paralel și serie. Ele se mai numesc și echipamente unificate pentru condiționarea calitatii energiei electrice.

Implementarea și modul de conectare la rețea

a unui filtru activ paralel-serie.Schema bloc.

Principiul de funcționare al filtrului activ paralel-serie poate fi explicat dupa cum urmează:

filtrul paralel integrat în structură, urmarește compensarea poluării armonice prin absorbția curentilor armonici prezenți în rețeaua de distribuție, în punctul de racord al filtrului. Pentru aceasta el trebuie să detecteze armonicile prezente în semnalele de tensiune din punctul de racord și să fie controlat astfel încât să reprezinte o impedanță infinită pentru fundamentală și un rezistor cu valoare cât mai mica, (1/KFAP) [Ω] pentru armonici:

filtrul activ serie a fost introdus pentru a bloca circulația curenților armonici prin rețeaua de distribuție. În acest scop el trebuie să detecteze armonicile prezente în curenții care circulă prin linie și să fie controlat astfel încât să reprezinte un scurtcircuit pentru fundamentală și un rezistor cu valoare cât mai mare, GFAS [Ω] pentru armonici

în ambele relații de mai sus, iS,n și uR,n reprezintă valorile instantanee ale armonicilor de rang n ale curentului prin linie respectiv tensiunii în punctul de racord.

Capitolul 7

Poluarea electromagnetică a mediului

7.1.Compatibilitatea electromagnetică a aparatelor de automatizare:

Odată cu folosirea intensivă a circuitelor integrate, problema interferenței și susceptibilității electromagnetice a devenit o condiție în proiectarea unor echipamente de automatizare de înaltă fiabilitate. Prin compatibilitate electromagnetică se înțelege particularitatea unui echipament, sau a unui sistem în ansamblu, de a funcționa în condițiile unui mediu poluat electromagnetic, fără a fi perturbate intolerabil funcțiile acestuia. Interferența electromagnetică ( FMI – electomagnetic interference, sau RFI – radio frequence interference ) este reprezentată printr-un semnal nedorit, care este indus datorită câmpului electromagnetic poluant, semnal care poate defecta funcționarea unui echipament sau sistem. Interferența electromagnetică poate fi definită ca o poluare electromagnetică, la fel de periculoasă ca poluarea aerului sau a apei în mediul ambiant. Fenomenul de compatibilitate electromagnetică are trei componente:

sursa unui câmp electromagnetic poluant;

calea de propagare;

receptorul afectat.

Sursele de zgomot electromagnetic sunt cauzate de fenomene naturale sau artificiale, ca de exemplu:

Zgomotele electrice generate de furtuni electrice, reprezintă surse naturale de zgomote electromagnetice cu frecvente sub 10 MHz.

Zgomotele generate de radiațiile solare și zgomotele cosmice reprezintă surse naturale de zgomote cu frecvente peste 10 MHz.

Zgomotele electrice artificiale sunt generate de activitățile umane și pot fi neintenționat sau intenționat create. Sursele neintenționat create de om sunt echipamente a căror funcționare nu are ca scop emisia de câmpuri electromagnetice, precum calculatoarele electronice, motoarele electrice, echipamentele cu relee cu contacte, tuburi fluorescente, sudura cu arc, motoarele cu autoaprindere, cablurile TV etc. Sursele de poluare electromagnetică intenționat create de activitatile umane sunt acele echipamente a căror funcționare normală constă în emisia de semnale electromagnetice, ca de exemplu echipamente radar, radiouri mobile, echipamente cu modulare în frecvență sau amplitudine etc.

Important în poluarea electromagnetică este mecanismul de cuplare între sursă și receptor, care poate fi prin radiație sau prin conducție. Cuplarea prin radiație se face prin intermediului câmpului electromagnetic între sursă și receptor ca între două aparate, ca de exemplu un pistol de lipit în contact manual și cu transformator poate afecta prin impulsurile câmpului electromagnetic un calculator.

Cuplarea prin conducție între două aparate se face prin firele rețelei de alimentare, prin firul comun de împământare al echipamentelor, etc. De exemplu, cuplând la aceiași rețea de alimentare un calculator și un termostat pentru încălzirea unui volum, conectarea/deconectarea automată a rezistentei de încălzire a termostatului provoacă variații ale tensiunii de alimentare a rețelei care influențează aparatele conectate la aceiași rețea de alimentare.

Poluarea electromagnetica, adică operația unor tensiuni parazite în circuitele electrice, poate fi nu numai între două aparate, ci și în cadrul aceluiași aparat. De exemplu, poluarea prin conducție apare în cadrul unui aparat în care funcționarea unui etaj de putere în impulsuri poate provoca variații (căderi) ale tensiunii de alimentare, ceea ce poate influența (prin conducție) alte etaje ale aparatului respectiv. Poluarea prin inducție în cadrul unui aparat poate apare atunci când de exemplu variații ale unui semnal electric provoacă, datorită câmpului magnetic propriu, semnale în alte circuite ale aparatului.

Interferența electromagnetică poate apare și între echipamentele de calcul, atât prin inducție (prin sursa de alimentare în ca) cât și prin conducție (prin câmpul electromagnetic creat de funcționarea unui calculator). Pentru a studia interferența electromagnetică sunt necesare teste, prin care se măsoară amplitudinea și frecvența semnalului nedorit, indus de sursa poluantă în aparatul supus testării. Aceste măsurări se fac cu analizoare spectrale.

Pentru a reduce semnalele parazite care apar prin conducție între sursa poluantă și aparatul testat, se folosesc filtre electrice pe tensiunile de alimentare. De exemplu, în acest scop la aparatele cu circuite integrate, circuitul imprimat este astfel realizat încât barele de alimentare ( +, – ) sa fie suprapuse pe suprafațe cât mai mari, ceea ce formează de fapt un condensator electric cu rol de filtrare.

În prezent, datorită apariției a numeroase surse poluante, problema compatibilității electromagnetice este deosebit de actuală, existând instituții de specialitate care se ocupă cu elaborarea de standarde și recomandări în acest domeniu. La nivel internațional, există organizații de standardizare, specializate pe anumite domenii de aplicație, ca de exemplu:

ISO – în domenii largi (mecanic, electric etc.);

IEC, CISPR – în domeniul electrotehnic, electronic;

CCITT – în domeniul telecomunicațiilor;

CCIR – în comunicații radio.

În prezent există și agenții naționale, care de exemplu preiau recomandările de la CISPR ( Internațional Special Committee on Radio Interference ). Prin aceste standarde se stabilește nivelul acceptabil de interferența (de susceptibilitate) electromagnetică pentru diferite surse poluante și diverse echipamente influențate prin poluare electromagnetica. În domeniul aparaturii de automatizare cel mai important organism internațional este IEC ( International Electrotehnical Commission ). Acest organism are comitete pe diferite domenii, ca de exemplu:

TC 77 – Compatibilitate electromagnetică între echipamente electrice, inclusiv rețele;

TC 65 – Măsurări industriale și conducerea proceselor.

În tara noastră, Institulul Român de Standardizare și Mărci are ca preocupare principala, coordonarea lucrărilor de cercetare și de adaptare a recomandărilor și regulamentelor internaționale în domeniul standardelor, inclusiv în domeniul compatibilității electromagnetice.

7.2.Influenta compatibilitatii electromagnetice asupra organismului uman:

Operatorul uman, în activitatea sa de îndeplinire a rolului său de a conduce un proces tehnologic, este supus influentei câmpurilor electromagnetice. Principala acțiune a câmpurilor electromagnetice asupra organismului uman constă în agravarea sau accelerarea apariției bolilor cardiace, vasculare, neurologice și psihice. Această influență, care depinde de intensitatea câmpurilor electromagnetice și de durata de expunere, este în continuă creștere datorită măririi numărului de surse poluante cu câmpuri electromagnetice. Pentru aprecierea influentei câmpurilor electromagnetice asupra organismelor vii s-au făcut cercetări experimentale asupra unui individ separat și asupra unui grup de indivizi, de diferite vârste, pe durate diferite de expunere în timpul serviciului și pentru diferiți parametrii ai factorilor poluanți. De exemplu dintr-o grupă de indivizi, cu vârste peste 40 ani, care se ocupau cu instalații la frecvențe înalte 10KHz – 30 MHz, cu o intensitate de 100 – 300 V/m, numai 7,4 % nu au reclamat perturbări ale stării de sănătate și în primul rând al sistemului nervos și cardio–vascular. Cercetări similare s-au efectuat în spații de producție, unde s-a constatat că prezența câmpurilor electromagnetice de joasa frecvență are o influență negativă asupra sistemului cardio–vascular al muncitorilor, observându-se o reducere a pulsului, o modificare a ECG, o micșorare a puterii de recepție vizuale și auditive și o accentuare a stării de oboseala.

Pentru măsurarea intensității câmpului electromagnetic se pot folosi aparate pentru lucrări de cercetare (foarte scumpe, de precizie ridicată și produse intr-un număr redus de exemplare) și aparate pentru verificări experimentale (de precizie redusă și produse în serie mare). Pentru măsurarea intensității câmpurilor electromagnetice în laboratoare, în spatii industriale de lucru, în centre urbane etc. se pot folosi aparate, care au costuri reduse și cu o precizie satisfăcătoare.

În prezent, pe plan mondial, se întreprind acțiuni pentru limitarea efectelor câmpurilor electromagnetice asupra organismelor vii, dintre care cele mai importante sunt:

Normarea intensității admisibile ale câmpurilor electromagnetice, pentru activitati industriale și pentru locuințe, în centre urbane sau rurale. Această diferențiere este necesară deoarece timpul de expunere a unei persoane diferă într-o activitate industrială și în spațiul de locuit. De exemplu, în SUA este recomandată densitatea de putere maximă a câmpului electromagnetic de 10 mW/cm2, în domeniul de frecvențe de 10 105 MHz. În multe țări sunt elaborate tabele, prin care se determină valorile admisibile în funcție de timpul de expunere.

Aplicarea de măsuri de protecție în desfășurarea unor activități cu surse de câmpuri electromagnetice, dintre care se pot menționa :

Protecția față de câmpuri magnetice puternice, constante și de joasă frecvență, realizând ecrane din materiale feromagnetice care au o permeabilitate ridicată, ca de exemplu din aliaje fier–nichel;

Protecția prin limitarea timpului de expunere, utilizând aparate de avertizare acustică sau optică;

Protecția prin desfășurarea activităților la distanță calculată față de sursa de câmp electromagnetic, se face utilizând relații empirice în care intervin parametrii sursei radiante;

Protecția prin utilizarea unor ecrane ale locului de munca, ca de exemplu a unor încăperi formate din plase metalice;

Protecția prin utilizarea unor suprafețe reflectorizante ale câmpului electromagnetic, ca de exemplu a unor folii metalice;

Protecția prin utilizarea unor halate sau alte articole de îmbrăcăminte de protecție, realizate din țesături din bumbac, mătase, etc. , în structura cărora intră fire subțiri metalice, care de exemplu formează ochiuri de dimensiunile 0,5 0,5 mm.

Cercetările recente privind influența câmpurilor electromagnetice asupra organismelor vii, au demonstrat că acestea actionează într-un mod deosebit de complex asupra fenomenelor intracelulare, asupra celulelor, organelor și organismului pe ansamblu. În prezent cercetările în acest domeniu sunt dirijate spre elaborarea de noi normative privind sursele de poluare și pentru implementarea de noi tehnici de protecție a omului față de influența câmpurilor electromagnetice.

În cazul liniiior de transport și distribuție a energiei electrice studiile epidemiologice și statistice realizate au relevat problema creșterii riscului de îmbolnăvire de cancer la persoanele aflate sub incindența câmpurilor produse de sistemul energetic.

Astlel studiile realizate asupra personalului din stațiile de distribuție, Ia cel care execută Iucrări sub tensiune și Ia personalul de întreținere a sistemului electroenergetic indică o tendință de creștere a factorului de risc în privința stimulării leucemiei, a tumorilor neurale, ca și apariția unor tulburări comportamentale.

Evident nu numai constructorii sistemelor electroenergetice se confruntä cu problema poluării electromagnetice ci și producătorii de aparatură electrocasnicä și de birou. Sunt cunoscute deja măsurile luate de unii proiectanți pentru protejarea consumatorilor: contrucția videoterminalelor cu emisie slabă de câmp electromagnetic de către IBM și Apple Computer.

Pentru siguranța sănătații populației se impune informarea cât mai exactă asupra nivelurilor de expunere și a cercetărilor biomedicale privind eventualele efecte asupra sănätații.

La stadiul actual al cunoașterii, chiar dacă nu se poate face o separare netă a efectelor câmpurilor electromagnetice, de alte influențe ale factorilor de poluare din mediu, este indicat să se ia, la nivel individual, măsuri de evitare a riscurilor prin rnodificări ale mediului ambiental si mai ales prin îndepartarea organismului de sursele cunoscute de câmpuri, ținând seama că aceste câmpuri variază invers proportional cu distanța sau cu o putere a acesteia.

În prezent, în numeroase țări din lume se deruleazä programe de cercetare în domeniul poluärii electromagnetice a mediului, având ca obiective principale evaluarea si aplicarea unor metode de reducere a valorii câmpurilor magnetice produse de liniile electrice, stații, transformatoare, rețele de alimentare cu energie electricä a locuințelor, precum și de aparatele electrocasnice.

Capitolul 8

Studiu de Piața

Introducere:

Considerații privind necesitatea utilizarii filtrelor active de putere pentru compensarea automata a puterii reactive și deformante în rețelele electrice:

Reducerea factorului de putere în rețelele electrice este determinata de puterile reactive și deformante consumate de diferitele receptoare și chiar de unele elemente ale rețelelor. Principalii consumatori de putere reactiva și deformanta și factorul de putere total (g cosφ, unde ″g″ reprezinta ponderea fundamentalei de curent) al acestora sunt:

Motoare asincrone(0,8);

Cuptoare cu arc(0,7);

Echipamente de electronica de putere,mai ales cu tăiere de undă(0,6);

Lămpi fluorescente fără compensare(0,5).

Principalele consecințe ale unui factor de putere total redus asupra funcționării sistemului energetic sunt:

Creșterea piederilor de putere activă;

Investiții suplimentare;

Creșterea pirderilor de tensiune în rețea;

Reducerea capacitaților instalațiilor energetice.

Pentru o anumită putere activă cerută de un consumator, pirderile totale de putere activă sunt invers proporționale cu pătratul factorului de putere. Prin urmare, instalația care funcționeaza cu un g cosφ = 0,7 are piederi de putere activă de două ori mai mari decât în cazul în care aceeași instalație ar necesita de la rețeaua de alimentare aceeași putere activă, dar la un g cosφ = 1.

Factorul de putere redus necesită investiții suplimentare pentru supradimensionarea instalațiilor de producere, transport și distribuție a energiei electrice.

Investițiile în centrale electrice sunt aproximativ invers proporționale cu valoarea pătratului factorului de putere.

Factorul de putere redus implică totodată creșterea prețului conductoarelor, respectiv supradimensionarea rețelelor de distribuție.

Funcționarea cu un factor de putere redus conduce la o creștere importantă a căderilor de tensiune în rețelele de transport și distribuție, în linii și transformatoare din cauza circulației de putere reactivă.

Pe lângă pierderile de putere în conductoare, puterea reactivă și deformantă produce căderi de tensiune suplimentare independente de cele produse de puterea activă. În afară de căderea de tensiune ohmică, determinată de curentul activ, respectiv de puterea activă, se mai produce și o cădere de tensiune inductivă, determinată de curentul reactiv, respectiv puterea reactivă. Pierderile de tensiune sunt cu atât mai mari cu cât puterea reactivă și deformantă este mai mare, respectiv cu cât factorul de putere este mai mic.

Funcționarea instalațiilor electrice cu un factor de putere total de valoare scăzută reduce posibilitățile de încărcare cu putere activă a instalațiilor existente. În general, puterea nominală a instalației este exprimată prin puterea aparentă S stabilită pe baza unei puteri active P date și a unui factor de putere admis g cosφ. În cazul scăderii factorului de putere de la g cosφ la g’cosφ’, puterea nominală va corespunde unei alte puteri active P’ = S g’cosφ’ mai mică decât puterea activă P prevăzută la proiectarea instalației.

Compensarea puterii reactive este făcută de cele mai multe ori cu baterii de condensatoare, sau acolo unde metoda nu este posibil de aplicat, de exemplu rețele la care sunt conectați consumatori nesinusoidali a căror tensiune are armonici, cum ar fi convertoarele statice de putere, mai ales cu tiristoare convenționale și tiristoare cu blocare pe poartă (GTO) se includ inductanțele în serie (filtre LC acordate). Filtrele LC acordate au dezavantajul că ele atenuează, fiecare, numai armonica pentru care a fost acordat, pentru fiecare armonică fiind necesar câte un filtru LC.

Pentru a elimina aceste dezavantaje, în cazul sarcinilor neliniare care absorb un curent nesinusoidal și defazat fața de tensiune, soluția este să se pună în paralel cu sarcina neliniară un filtru activ ce absoarbe un curent astfel încât curentul total absorbit de la sursă să fie sinusoidal și în fază cu tensiunea, adică din rețea să se absoarbă numai putere activă.

De asemenea, la sesiunile de comunicări ștințifice internationale de electronica de putere și în revistele de specialitate aparnumeroase articole și comunicări despre filtrele active de putere, ca răspuns la înăsprirea normelor internaționale privind ″poluarea″ rețelei energetice.

Dintre standardele privind protejarea calității rețelei menționăm:

EN 50160 (November1994) – ″Voltage Characteristics of Electricity Supplied by Public Distribution Systems″

IEC 61000 -3 -2 (1995 consolidated with amendment december 1997) -″Electromagnetic Compatibility″(EMC); Part 3: Limit for Harmonics Current Emission (equipment input current ≤16A per phase)

IEC 1000 -3 -4 (November 1996) – Draft – ″Electromagnetic Compatibility″ (EMC); Part 3: Limitation of Emission of Harmonic Currents in Low – Voltage Power Supply Systems for Equipment with Rated Current Greater than 16A

IEEE Std. 519 – 1992 (Aprilie 1993) – ″IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in Electrical Power Systems″

Determinarea domeniului pieței:

Beneficiarii potențiali ai filtrelor active de putere trifazate sunt întreprinderile din industria metalurgică, industria constructoare de mașini, șantiere navale, industria chimică și petrochimică, stații de pompare, precum și mici consumatori, unde se pune problema compensării puterii reactive și deformante datorate mai ales instalațiilor cu taiere de undă, cum ar fi de exemplu echipamentele cu tiristoare convenționale.

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

Se prezintă în continuare consumul de putere reactivă și deformantă, care necesită compensarea utilizând filtre active de putere al unor societați comerciale:

SC SIDEX SA GALAȚI ………………………………………..3200 KVAR

SC PETROMIDIA NĂVODARI………………………………..1500 KVAR

SC NAVOL SA OLTENIȚA ……………………………………1400 KVAR

SC UCMR SA REȘIȚA ………………………………………….400 KVAR

SC PETROTRANS SA PLOIEȘTI ……………………………..450 KVAR

SC ULEI ROȘIORI ……………………………………………….800 KVAR

SC ELCOMEX CERNAVODĂ …………………………………..200 KVAR

SC DOBROGEA SA CONSTANȚA …………………………….450 KVAR

SC HELITUBE SA BUCUREȘTI ………………………………..200 KVAR

Concurența:

Din cunoștințele noastre, pe piața românească nu au fost livrate filtre active de putere, ci numai compensatoare automate în trepte de factor de putere. Astfel, firma ROEDERSTEIN –Germania a livrat prin intermediul SC IMSAT INTERNATIONAL SA echipamente de compensare având puterea reactivă totală instalată după cum urmează:

2003……………………………..68.000 KVAR

2004……………………………..94.000 KVAR

2005……………………………115.000 KVAR

Prețurile compensatoarelor automate in trepte de factor de putere, produse de firma ELSPEC – Israel sunt:

Din punct de vedere tehnic, produsele concepute de IPA și executate de SC ET SA au performanțe superioare compensatoarelor automate de factor de putere, filtrele active compensând automat atât puterea reactivă, cât și pe cea deformantă. De aceea considerăm ca ele pot concura cu succes produsele de import.

Prețul produsului:

Din seria filtre active de putere in gama 10……200 KVAR, considerăm pentru analiză urmatorul : 100 KVAR

Prețurile estimate ale unui filtru activ de putere trifazat, calculate la nivelul cursului valutar din 03.03.2007 sunt prezentate în tabelul de mai jos. Calculul detaliat al prețului la producător este prezentat în anexa 1, fiind detaliate calculatiile materialelor componente și valoarea manoperei estimate.

Din punct de vedere al prețului, filtrele active de putere produse de SC ET SA reprezintă circa 55% din prețul compensatoarelor automate de factor de putere din import.

Programul de vânzări:

Seria de filtre active de putere în gama 10….200 KVAR va fi asimilată și introdusă în fabricație la SC ELECTROTEHNICA SA, care va realiza și va livra tipodimensiunile cele mai solicitate. Pentru tipodimensiunea, prezentată mai sus, se estimează următorul program de vânzări pe următorii 5 ani (tabelul de mai jos). Se prezintă numărul de bucăți estimat a se vinde în fiecare an, precum și valoarea anuală a programului de vânzări (în EURO).

Evaluarea profitului:

Evaluarea profitului la producător (SC ET SA) se face ținând cont de programul anual de vânzări și de metodologia de calcul a costului de producție. Ținând cont de aceasta, rezultă o rată a profitului de 9,09% din vânzări. Aplicând această rată la valoarea estimată a vânzărilor din fiecare an,rezultă următoarele profituri previzionate, exprimate în EURO (tabelul de mai jos).

Pentru estimarea profitului la beneficiar, trebuie calculată economia de putere aparentă (în KVA), realizată prin funcționarea filtrului activ. Pentru aceasta, se va utiliza următoarea formulă de calcul:

PA = PE x Nr ore x Preț KVAh x k, unde:

– PA = Profitul anual

– PE = Puterea economisită

– Nr. ore = Numărul anual de ore de funcționare ale filtrului activ

– Preț KVAh = Prețul a 1 KVAh

– k = coeficient subunitar; 1-k exprimă coeficientul costurilor de întreținere ale filtrului activ (puterea consumată de filtrul activ și alte cheltuieli de întreținere) din totalul puterii economisite.

Puterea economisită (PE) se calculează pornind de la ipoteza că filtrul activ determină o creștere a factorului de putere cosφ de la 0,8 la 0,95. În funcție de puterea filtrului (PF, în KVAR), PE se calculează astfel:

– pentru cosφ = 0,8; sinφ = 0,6:

UI sinφ = PF » UI = 1,667 x PF (KVA) » UI cosφ = 1,333 x PF (kw)

– pentru cosφ’ = 0,95:

U’I’ cosφ’ = 1,333 x PF » U’I’ = 1,403 x PF (KVA)

Deci PE = UI -U’I’ = 0,264 x PF (KVA)

Notă:

În calculul anterior, s-au făcut următoarele simplificări, care conduc la economii mai mici decât cele reale:

Factorul de putere când filtrul funcționează este practic cosφ = 1

S-a neglijat faptul că filtrul activ compensează și armonicile

Numărul de ore de funcționare anuală = 250 zile x 8 ore/zi = 2000 ore/an

Prețul pentru 1 KVAh este de 0,08 EURO

k = 0,95

Pentru filtrul activ de 100 KVAR :

PA = 0,264 x 100 x 2000 ore/an x 0,08€/KVAh x 0,95

PA = 4012,8 EURO/an

Calculul timpului de recuperare a investiției:

Timpul de recuperare a investiției (TR) reprezintă numărul de ani în care profiturile aduse de investiție amortizează costul inițial al acesteia. Calculul timpului de recuperare se face după formula:

TR = Preț investiție / Profit anual

Pentru filtrul activ de 100KVAR :

TR = 8154 € /4012,8 € / an = 2,03 ani

Strategia de vânzare și promovare:

În vederea promovării produsului se vor trimite oferte tehnice la principalii beneficiari potențiali. De asemenea, se va participa la simpozioanele organizate în domeniul energiei electrice, prezentându-se avantajele utilizării filtrelor active de putere față de compensatoarele în trepte de putere reactivă.

În materiale de promovare și prezentare ale produsului va fi introdus următorul exemplu:

Un transformator de 1000KVA, încărcat cu o sarcină care are cosφ = 0,8 poate debita o putere activă maximă de 800 kw. Prin corectia factorului de putere de la 0,8 la 0,95 (filtrul activ face factorul de putere practic 1), o sarcină adițională de 150 kw poate fi conectată pe acest transformator, puterea activă crescând la 950 kw.

Sau altfel spus, prin corectarea factorului de putere de la 0,8 la 0,95 puterea aparentă necesară se reduce cu 158 KVA. (800 kw /0,8 = 1000KVA ; 800 kw / 0,95 = 842 KVA ; 1000 – 842 = 158 KVA).

Pentru un timp de funcționare de 2000 ore/an și un preș de 0,08 €/KVAh, se obțin economii anuale de 158 KVA x 2000 ore/an x 0,08 €/KVAh = 25.280 €.

Anexa 1

Calculație de preț Filtre Active de Putere Trifazate 100KVAR

Total valoare materiale: 9.425 DM

Materiale:……………….132.694.575 lei

Manoperă:……………… 25.648.256 lei

CAS si alte taxe 40.34%..10.346.506 lei

Total 1 …………………..168.689.337 lei

Cheltuieli indirecte……….35.430.539 lei

Total 2……. …………….204.119.876 lei

Profit 10%…………………….20.411.988 lei

Total general ……………224.531.864 lei

15948 DM = 7474 USD = 8154 EURO

Anexa II

% Programul de calcul al armonicei fundamentalei pentru o fază

function[Y]=sfft3(c)

global ca Xar Xai count

%c(x) – semnalul de intrare (1 timpu, 2 semnalul); ca – valoarea semnalului de intrare de la pasul anterior

%Xar, Xai – partea reala si imaginara a fundamentalei (sliding FFT) la pasul anterior

%xa – iesirea (IFFT) la pasul anterior

% initializarea

N=4096;

t=c(1);

% calc real si imaginar de exp(2*pi*n/N),n=1(fundamentala)

re=cos(2*pi/N);

im=sin(2*pi/N);

if t<=1

ca=zeros(N);

Xar=0;

Xai=0;

Count=1;

end

Xr=re*Xar-im*Xai+re*(c(2)-ca(count));

Xi=im*Xar+re*Xai+im*(c(2)-ca(count));

Xar=Xr;

Xai=Xi;

ca(count)=c(2);

count=count+1;

if count>N

count=1;

end

x=2*(re*Xar+im*Xai)/N;

Y(1)=x;

Bibliografie

1. Compensarea puterii reactive si a armonicilor

Autor: Gheorghe Papusoiu

Editura: Orizonturi Universitare – Timisoara 2002

2. Reducerea poluarii armonice a retelelor electrice industriale

Autori: Mircea Chindris

Antoni Sudria i Andreu

Andrei Cziker

Silviu Stefanescu

Editura: Mediamira – Cluj-Napoca 2003

3. Calitatea energiei electrice in perspectiva interconectarii sistemului energetic national cu sistemul vest european

Autori:Niculescu Titu

Maierean Valeriu

Pasculescu Dragos

Editura: Focus – 2004

4. Supratensiuni in retelele de inalta tensiune, in regim nesimetric si in prezenta armonicilor de tensiune si curent

Autor: Ing. Stefania Ioan

Universitatea Politehnica Bucuresti – Facultatea de energetica 1998