Studiu Privind Regimul Deformant
Lucrare de licenta
Studiu privind regimul deformant
Cuprins
CAPITULUL I
Generalități privind măsurarea puterii și calitatea energiei în regim deformant
Introducere
1.1.Fenomenul de poluare armonică
1.1.1.Aspecte privind calitatea energiei în regim deformant
1.1.2.Valori normate ale variațiilor de tensiune
1.1.3.Definiții referitoare la regimul periodic nesinusoidal în sistemele electroenergetice.
1.1.4Efecte ale poluării armonice în sistemele electroenergetice
1.2.Analiza Armonică
1.2.1.Ecuațiile de analiză
1.2.2. Reprezentarea armonicelor componente ale unei unde
1.3. Filtre active
1.3.1.Filtre în rețeaua de joasa tensiune
1.3.2.Filtre passive
1.3.3.Filtrele active
1.4. Analiza Regimului deformant
1.4.1.Determinarea parametrilor specifici regimului deformant
1.4.2. Estimarea regimului deformant
1.5. Factorul de Putere-Indicator de calitate a energiei electrice consummate
1.5.1. Tendințe în definirea factorului de putere în regim nesinusoidal
1.5.2.Definirea factorului de Putere
1.5.3. Masurarea puterii electrice in regim deformant
1.6. Influența Regimului Deformant asupra Aparatelor Analogice de Masură
1.6.1 Avantajele măsurării numerice a energiei electrice
1.6.2. Particularități ale proiectării schemelor electronice ale contoarelor
numerice
1.7. Mărimi de influență specifice regimului deformant
CAPITOLUL 2
2.1.Conceptul de instrumentație virtuală
2.2 Software pentru Instrumentație virtuală
2.3. Realizarea Wattmetrului Virtual
CONCLUZII
BIBLIOGRAfie
Studiu privind regimul deformant in instrumentatie
Introducere
Scurt Istoric
Problemele legate de poluarea armonică reprezintă unul dintre aspectele importante în relația furnizor de energie electrică – consumator, iar adoptarea unor măsuri eficiente pentru asigurarea calității energiei electrice în prezența surselor perturbatoare preocupă în mare măură specialiștii din sectorul electroenergetic.
Dezvoltarea industrială, utilizarea largă a tehnologiilor moderne, tracțiunea electrică, utilizarea reglajelor cu mutatoare au condus la o importantă creștere a numărului surselor perturbatoare, determinând o poluare din ce în ce mai intensă a rețelei electrice. Totuși, poluarea armonică nu este un fenomen nou, probleme legate de componentele armonice ale curbelor de tensiune și/sau de curent au apărut chiar de la începutul utilizării industriale a energiei electrice.
Armonicile au fost considerate, pe parcursul dezvoltării sistemelor energetice, drept cauza unei mari diversități de fenomene și evenimente în sistemele electrice de transport și distribuție, chiar dacă formă de manifestare și modul de rezolvare a acestora au fost într-o continuă schimbare. La sfarșitul secolului trecut și la începutul secolului al XX-lea, problemele erau legate de tensiunile armonice existente în sistemele de transport și de distribuție; intradevăr, datorită soluțiilor constructive insuficient elaborate, conținutul în armonici al tensiunii furnizate de generatoare era relativ ridicat. Ulterior, introducerea pe scară largă a receptoarelor neliniare a determinat apariția frecventă a surselor de curenți armonici.
Prima mențiune legată de utilizarea analizei armonice, ca modalitate de rezolvare a unei probleme practice de electrotehnică, este facută în anul .P. Steinmetz a identificat drept cauză a supraâncălzirii unui motor electric (montat , S.U.A.) supratensiunea determinată de fenomene de rezonanță serie pe linia de alimentare, având o lungime de și funcționând la 125 Hz. Problema era specifică pentru S.U.A., unde sistemele de transport al energiei electrice aveau frecvențe de 125, 133 sau 140 Hz; sistemele europene, funcționând la frecvențe mult mai mici (f<50 Hz), nu au fost confruntate cu asemenea evenimente.
În anul 1895, principalii producatori americani (Westinghouse și General Electric) au introdus în fabricație noi generatoare cu înfășurări distribuite pe întreaga circumferință, în scopul îmbunătațirii formei curbei tensiunii flimizate.
A doua menționare în literatura de specialitate a unor probleme legate de armonici apare la începutul secolului și face referire la valori ridicate ale curentului prin conductorul de nul, în cazul funcționării în paralel a generatoarelor având neutrul legat la pământ; este vorba, desigur, despre însumarea armonicilor de rang multiplu de trei, în cazul sistemelor cu conexiune în stea, fenomen bine cunoscut în prezent.
În anii 1930, odată cu introducerea tehnologiilor bazate pe descarcarea în arc (surse de lumină, cuptoare electrice, instalații de sudare) a început generarea, pe scara largă, a curenților armonici de către receptoare sau alte echipamente existente în sistem. Transformatoarele, funcționând în zonă neliniară a caracteristicii de magnetizare, reprezentau, de asemenea, o importantă sursă de poluare armonică. Principala problema care a trebuit rezolvată a reprezentat-o interferența inductivă cu circuitele telefonice. Cuplajul inductiv, între rețelele aeriene de transport și distribuție a energiei electrice și circuitele telefonice montate pe aceiași stâlpi, inducea tensiuni parazite suficient de mari, pentru a perturba traficul telefonic.
Dupa 1950, când distribuitorii au evidențiat impactul tehnico-financiar al factorului de putere prea scăzut și au impus penalitați consumatorilor industriali, a devenit economică utilizarea bateriilor de condensatoare pentru compensarea circulației de putere reactivă. Prezența acestor condensatoare în sistemele de distribuție a creat însa condiții pentru apariția unor posibile fenomene de rezonanță, determinate de:
-existența, în sistemele de distribuție, a unei game largi de frecvențe armonice
(în special, 150 Hz 550 Hz);
-introducerea unui numar relativ mare de baterii de condensatoare (de puteri diverse), în diferite noduri ale sistemelor electroenergetice;
-modificarea reactanței inductive prin modificări ale impedanței sistemului, introducerea de transformatoare sau bobine de limitare etc.
Bobinele și condensatoarele existente în sistem formează circuite rezonante serie și paralel având, în general, frecvențe proprii de rezonanță în domeniul (200… 600) Hz; acest interval corespunde armonicilor de rang 5…11, generate de multe echipamente neliniare racordate la rețelele de alimentare.
Începând din anii 1960 – 1970, poluarea armonică a sistemelor de putere a crescut din cauza utilizarii largi a dispozitivelor electronice semiconductoare. Ameliorarile tehnologice au permis creșterea performanțelor și reducerea costurilor, astfel încât electronica de putere a patruns rapid și pe scară largă, 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, îmbunătățirea posibilităților de control etc.
În prezent, în industria modernă, circa 50% dintre receptoarele unui consumator industrial constă din convertoare de frecvență (pentru alimentarea acționărilor reglabile de tensiune alternativă sau continuă), surse în comutație (pentru alimentarea sistemelor de calcul sau a controlerelor de proces) și din balasturi electronice. Datorită caracteristicilor neliniare ale acestor receptoare (care utilizează diode, tiristoare sau tranzistoare pentru conversiile tensiune alternativă – tensiune continuă, tensiune continuă- tensiune alternativă sau tensiune continuă – tensiune continuă), în sistemele de distribuție industriale apar armonici de curent și de tensiune; acestea au în general efecte negative asupra altor receptoare și conduc la reducerea parametrilor energetici ai rețelei electrice industriale.
În general, consumatorii neliniari determină reducerea calitați energiei electrice prin generarea de curenți armonici, circulația acestora conducând la distorsionarea curbei de tensiune în punctul de racord (dar și în alte parți ale sistemului), din cauza impedanței finite a sistemului electroenergetic.
Efectele fenomenelor de rezonanță, care pot amplifica armonicile (creșterea tensiunii în diferite puncte ale rețelelor electrice, supraâncărcarea 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, au determinat în ultimii ani o noua creștere a interesului specialiștilor pentru poluarea armonică.
În conformitate cu datele fumizate de Electric Power Research Institute (EPRI -S.U.A.), echipamentele electronice consumau, în anul 1996, (35 – 40)% din puterea totală, ponderea crescând la 60% , în anul 2000. Acestea reprezintă principala sursa de curenți armonici, fiind în același tirnp foarte sensibile la deformarea curbei de tensiune în sistemul de alimentare.
Apariția și dezvoltarea extensivă și intensivă a regimului deformant, în mod deosebit în domeniul urban, cu o rapiditate care surprinde pe specialiștii electroenergeticieni, care întâmplător sau intenționat iau cunoștință de evoluția în ultimul deceniu a regimului deformant, se datorează utilizării pe scară din ce în ce mai larga a consumatorilor informatizați. Aceștia, sunt reprezentați de tot ce este instalație electronică de foarte mică, de mică sau de mare putere, în toate domeniile de existență și activitate socio-economică a omului din ultimele decenii. În țara noastră, în ultimul deceniu, au apărut cu tendință de invadare, fără exagerare, a tot ce, în peste 90% din cazuri, se cheamă consumator respectiv recetptor de energie electrică. Atrași de mirajul performațelor, al multitudinii de posibilități de a rezolva un număr din ce în ce mai mare de probleme, imposibil de rezolvat până acum si de a obține un volum practic nelimitat de informații, numărul celor care dispun si vor dispune, fie pe orizontală dar și ca număr de receptoare pe abonat, crește foarte mult, fără să pună concomitent în evidență și consecințele defavorabile pentru instalațiile la care se racordează. Câți nu știu, dintre specialiști ba chiar și dintre nespecialiști de existența și apariția odată cu aparatele respective, inclusiv în propriile gospodarii, de regimul deformant, dar din păcate, este de remarcat faptul că, chiar și pentru specialiști, faptul că sunt numai informați de existența acestui fenomen îi liniștește și trec pe primul plan alte probleme curente iar starea deja nesatisfacatoare a instalațiilor devine îngrijorătore. Se poate vorbi, deși poate n-ar trebui spus că, o parte din specialiștii, care poate ar trebui puși între ghilimele, ba chiar unii cu funcții importante nici nu vor să audă și să afle mai multe decât "știu", manifestând chiar o anumita iritație la discuțiile pe marginea acestei probleme. Din astfel de atitudini și reacții s-au acumulat și multe din celelalte probleme dificile, existente în instalațiile electroenergetice astăzi. De ce n-ar mai fi încă una, respectiv regimul deformant, care să așteptam să se manifeste mai puternic prin creșterile pierderilor de putere și energie, ocuparea secțiunii conductoarelor, creșterea numărului întreruperilor conductorului de nul, probleme de compatibilitate electromagnetica s.a. O publicație franceză de specialitate scrie monitorizați voi regimul deformant înainte ca el să vă domine pe voi". Se poate afirma că primul semnal puternic de alarmă îl prezintă rețeaua de joasa tensiune și conductorul de nul, care vin în contact nemijlocit cu acest tip de consumatori, care prin caracteristicile și comportarea lor afectează și în prezent, dar mai ales în perspectiva apropiată, problema calității energiei electrice.
Relațiile Furnizor-Consumator prin prisma calității energiei electrice
În cadrul activității umane desfășurate în diferite domenii social-economic, la care participă doi sau mai mulți parteneri, reprezentați prin persoane fizice sau prin colective aparținând diferitelor unități comerciale sau economice, apar și se stabilesc o serie de relații reciproce, care reglementează cadrul și modul de desfășurare a activităților respective. Un astfel de domeniu cu impliații deosebite în viața social-economică națională îl constituie si sectorul energetic, care asigura energia electrică necesară oricărei activități umane, începând cu cea din gospodăria proprie și până la cea necesară unităților economice. Participanții la procesul de alimentare cu energie electrică se impart îm doua categorii, distribuitorii de energie electrică și consumatorii. Între acesștia se stabilește un sistem de relații, concretizate prin cerințele și obligațiile fiecăreia față de cealaltă. Obiectivul principal al acestor relații îl constituie condițiile în care se desfășoara și se asigură furnizarea energiei electrice cerute de fiecare consumator, de către unitățile furnizoare. Cerințele de bază sunt cantitatea și calitatea energiei electrice, fiecare dintre aceste părți situându-se pe poziții proprii, care trebuie apropiate în vederea soluționării optime a neconcordanțelor.
Solicitarea acestor mărimi de către consumatorii de energie electrică, pe de o parte, și posibilitățile de asigurare de către unitățile furnizoare, pe de altă parte, duce la necesitatea stabilirii unor relații directe între cele două părți. În funcție de scopul urmărit și de importanța de importanța pe care o reprezontă sub aspect tehnico-economic fiecare dintre marimile ăn discuție, fiecare parte iși susține poziția respectivă, stabilindu-se în final, pe baza justificărilor și argumentelor prezentate, o pozișie comună, în vederea întocmirii documentațiilor tehnice și realizării instalațiilor corespunzătoare.
Majoritatea consumatorilor vor urmări sau vor trebui să fie conștienți că este în interesul lor să urmărească situația consumurilor și cu ajutorul calculatoarelor de proces pe care le folosesc în intreprinderi și în alte scopuri productive. Este însă necesar ca periodic (la 1-2 ani ) să se efectueze măsurători și verificări, pentru a se constata, prin cunoașterea mărimilor și indicatorilor caracteristici, eficiența modului de funcționare a întreprinderilor și al gospodăririi energiei electrice.
Dintre acestea se menționează: puterile active maxime și medii, energiile totale și săecifice, factorul de putere, coeficienții de cerere și de simultaneitate, coeficienții de distorsiune ai undelor de tensiune, existența fenomenului de fliker, benzile de variație ale tensiunii și altele.
CAPITOLUL 1
1.Fenomenului de poluare armonică
1.1.1. Aspecte privind calitatea energiei în regim deformat
Noțiuni Generale
În etapa actuală nu se poate vorbi de o normare unitară a calității energiei electrice pe plan internațional și uneori pe plan național. Nu există un standard internațional de calitate a energiei electrice, dar numeroase probleme legate de calitatea energiei electrice sunt reflectate în lucrarile Comisiei Electrotehnice Internaționale (CEI). CEI în publicația Nr. 38 recomandă ca în condiții normale de distribuție tensiunea în punctul de livrare să nu difere față de tensiunea nominală cu mai mult de ± 10%. În majoritatea țărilor, sistemul de indicatori ai calității energiei electrice este alcătuit din anumite caracteristici cantitative ale variațiilor lente sau rapide ale valorii efective a tensiunii, forma și simetria lor în sistemul trifazat, precum și caracteristicile de variație lentă/rapidă ale frecvenței. Normele electrotehnice Internaționale sunt luate în considerare la întocmirea normelor naționale ale diverselor tări, în unele privințe aceste norme fiind chiar mai severe decat recomandarile CEI (Comisiei Electrotehnice Internationale).
În România nu există până în prezent un standard unitar de calitate a energiei electrice. O parte din parametrii care pot prezenta interes în definirea calității energiei electrice sunt definiți și normați în mod individual. În acest sens problema tensiunilor nominale și a abaterilor admisibile ale tensiunii față de aceste valori sunt precizate în STAS 930.
Mai mult de 60% din energia electrică, în țările dezvoltate, este vehiculată prin intermediul convertoarelor statice de putere. Pe lângă avantajele cunoscute, acestea introduc o serie de dezavantaje legate de forma curentului și a tensiunii alternative a rețelei de alimentare, ceea ce echivalează cu prezența în afara armonicei fundamentale a armonicilor de ordin superior în rețelele electrice. Unii dintre acești consumatori sunt cei de tip informatizați și sunt consumatori cu puternice efecte de abatere, în mod deosebit, a curbelor de curent de la forma lor ideală, aceea de sinusoidă, care conțin componente și circuite electronice cu caracteristici neliniare, nu mai trebuie căutați prea departe sau numai la marii consumatori cu specific deosebit. Aria lor de răspândire este foarte largă și numai daca ne gândim puțin îi găsim chiar în gospodăriile noastre, în toate instituțiile de stat și particulare, în întreprinderile mari, mijlocii și mici, în bănci și centre de calcul și în orice altă activitate contemporană a omului. Puterile lor nominale pornesc de la câțiva W, kW sau se găsesc în instalațiile de reglaj ale unor consumatori importanți de sute de mii de kW. Deci o caracteristică principală constă în faptul că se găsesc practic în toate zonele sistemului electroenergetic, numărul și ponderea lor fiind foarte mari. Astfel și proprile noastre gospodării, prin toate aparatele total sau parțial electronizate sunt surse de regim deformant și foarte multe alte locuri au milioane de astfel de receptoare. Am putea menționa: televizoarele, aparatele de radio, mașinile de spălat, frigiderele, lămpile fluorescente, calculatoarele electronice, casetofoanele audio si video etc. Toate acestea și deci noi toți, acasă și la serviciu, prin efectul de deformare mai slab sau mai intens, în mod deosebit al curbelor de curent, suntem surse de curenți armonici care poluează și afectează calitatea energiei electrice, calitate pe care tot noi toți cerem să fie cât mai bună. Aparatele de măsura foarte performante determină în timp foarte scurt, practic on line, formele deformate ale curbelor de curent și de tensiune, numărul și rangul armonicilor precum și o serie de indicatori care caracterizează intensitatea regimului deformant.
Un indicator care exprimă foarte bine intensitatea regimului deformant este factorul de distorsiune (di, du sau THD).
S-a stabilit că cel mai puțin deformant este frigiderul (di=10.7% ) urmat de mașina de spălat rufe (di=24% ), efectul de deformare maxim, fiind cel dat de funcționarea unui calculator electronic (di=107.4% ). Toți consumatorii informatizați injectează în rețeaua de joasa tensiune o paletă foarte largă de curenți armonici, deformând în mare măsura curbele ideale fundamentale (50Hz).
Sarcinile neliniare deformează curentul de la rețea chiar dacă tensiunea de alimentare este sinusoidală. Schema electrică a unei astfel de sarcini se poate prezenta drept o sarcină lineară corespunzatoare armonicei fundamentale a curentului și o multitudine de surse de curent corespunzatoare fiecarei armonici de ordin superior. Acestea din urma provoacă pe de o parte pierderi suplimentare prin efect Joule, pe de altă parte conduc la o funcționare incorectă a protecțiilor și datorită căderilor de tensiune pe impedanțele de scurtcircuit deformează tensiunea la bornele condensatorului si poluează mediul cu emisii electromagnetice de frecvență ridicată.
Deformarea tensiunii duce la apariția următoarelor fenomene:
se poate periclita funcționarea convertoarelor electrice bazate pe întârzierea unghiului de aprindere.
există pericolul ca, condensatoarele de compensare a factorului de putere și impedanța rețelei să se comporte ca circuite rezonante serie (datorita tensiunii) ceea ce duce la apariția de curenți mari ce pot provoca distrugerea instalației și scoaterea consumatorilor din sistem.
În anumite situații nu se mai poate realiza compensarea puterii reactive cu condensatoare simple ceea ce face necesara folosirea de filtre active ce asigură o tensiune apropiată de cea sinusoidală ca mai apoi să se folosească condensatoare simple.
De asemenea, există norme care în funcție de puterea de scurtcircuit limitează curenții de armonici superioare ce circula in rețea și limitează distorsionarea tensiunii de la borne.
Există doua probleme, pe de o parte puterea activă se plătește la același preț ca și puterea reactivă, pe de altă parte peste un nivel al armonicilor și distorsiunilor, distribuitorii au dreptul sa debranșeze consumatorul respectiv de la rețea
Ca urmare, este necesară dezvoltarea de soluții pentru compensarea armonicilor de curent și tensiune. Aceste solutii sunt reprezentate de filtre pasive si filtre active.
Filtrele active de putere se amplasează în stațiile de distribuție de joasă tensiune la care sunt conectați consumatorii importanți de putere reactivă și deformanta și realizează îmbunătațirea parametrilor energiei electrice, făcând să se absoarbă din rețea practic numai putere activa.
Din ce în ce mai mult, componentele electronice de putere cum ar fi redresoarele, surse în comutatie și convertoare de frecvență sunt folosite în toate ariile de activitate. Nu ne mai putem imagina lipsa microelectronicii sub formă de calculatoare și controlere programabile. Primul grup de dispozitive influențează calitatea tensiunii electrice, celalalt grup de dispozitive sunt foarte sensible la reducerea calității energiei electrice de alimentare.
Există, deasemenea, și alte fenomene care duc la slăbirea calității energiei electrice:
efecte de comutație produse de convertoare cu tiristoare;
armonici datorate sarcinilor neliniare cum ar fi redresoarele, surse în comutație;
-efectul de flicker datorat sarcinilor fluctuante ce apar la închiderea/deschiderea
contactoarelor, pornirea motoarelor, mașini cu rezistență ridicată, aparate de sudură, etc.
Calitatea, conform definiției formulate de Organizația Internațională de Standardizare ISO (International Standard Organisation), reprezintă totalitatea caracteristicilor și a particularităților unui produs sau serviciu, care concretizează aptitudinea de a raspunde la necesități potențiate sau exprimate ale utilizatorului.
Calitatea oricarui produs sau serviciu este o noțiune complexă pentru conturarea căreia se impune luarea în considerație a unui numar mare și variat de factori. În același timp, noțiunea de calitate trebuie sa sintetizeze acele caracteristici care, în raport cu specificul produsului sau serviciului, au ponderi și semnificatii distincte.
Energia electrică este considerată în prezent un produs, livrat de furnizor consumatorilor. Calitatea energiei electrice a preocupat specialiștii din sectorul electroenergetic încă din primii ani ai utilizării, pe scară largă, a curentului alternativ; în ultimul deceniu, se constata însa o revigorare a interesului pentru acest domeniu, datorită dezvoltarii explozive a echipamentelor și a tehnologiilor bazate pe electronică de putere. În prezent, calitatea energiei electrice constituie o preocupare majoră atât pentru furnizori, cât și pentru consumatorii de energie electrică.
Termenul de "calitate a energiei electrice" (power quality) a devenit deosebit de frecvent după anul 1980 și reprezintă un generic acoperitor pentru luarea în considerare a influenței unui mare numar de perturbații electromagnetice care pot să apară în sistemul electroenergetic (în special la medie și joasa tensiune). De menționat însă faptul că sintagma de "calitate a energiei electrice" nu este unanim acceptată și utilizată pe plan mondial, existand în prezent mai multi termeni folosiți în relația furnizor de energie electrica – consumator.
Calitatea energiei electrice (Power Quality): termenul a fost propus în S.U.A. de IEEE și preluat de majoritatea publicațiilor de limbă engleză. Calitatea energiei electrice, conform IEEE reprezinta "conceptul alimentarii și legarii la pământ a echipamentelor sensibile, într-un mod care să permită funcționarea corecta a acestora". De fapt, în pofida acestei definiții, termenul este utilizat într-un sens mult mai larg, referindu-se atât la problema poluării armonice generate de sarcinile neliniare, cât și la alte tipuri de perturbații electromagnetice apărute în sistemele electroenergetice.
Compatibilitate electromagnetică (Electromagnetic Compatibility – EMC): termenul este utilizat de CEI (Comission Electrotechnique Internationale) și reprezintă "aptitudinea unui echipament sau sistem de a funcționa satisfăcator în mediul electromagnetic, fară a induce perturbații inacceptabile în orice alt echipament sau sistem existent în acel mediu".
Calitatea tensiunii (qualite de la tension): termenul este utilizat în Franta și în diferite publicații europene și se referă la "abaterile formei curbei de variație în timp a tensiunii de la sinusoida ideală", poate fi interpretat ca referindu-se la calitatea "produsului" livrat de furnizor consumatorilor.
Calitatea curentului (current quality): este o definiție complementară celei anterioare și se referă la abaterile curentului fată de formă ideala (o curbă sinusoidală de frecventă și amplitudine constantă și în fază cu tensiunea de alimentare); notiunea se folosește pentru a descrie performanțele convertoarelor electronice.
Calitatea alimentării cu energie electrică (quality of supply sau quality of power supply): reflectă relația furnizor – consumator; are o componentă tehnică, calitatea tensiunii, descrisă anterior, și o altă componentă, frecvent denumită "calitatea serviciilor" (quality of service), care reflectă relațiile cu consumatorul (viteza de răspuns la solicitările acestuia).
Calitatea consumului (quality of consumption): reflectă relația consumator -furnizor; se referă la calitatea curentului, corectitudinea în plata facturii electrice etc.
In analiza problemelor legate de compatibilitate electromagnetică, standardele CEI operează în primul rând cu următorii termeni importanți:
emisia (emission): se referă la nivelul poluării electromagnetice produsă de un echipament;
imunitatea (immunity): reflectă capacitatea unui echipament de nu fi afectat de poluarea electromagnetică.
Pot fi enumerate patru argumente majore, care justifies interesul manifestat pentru domeniul calității energiei electrice:
echipamentele modeme sunt mai sensibile la reducerea calitătii energiei electrice,
datorită faptului că au în componența lor dispozitive electronice și sisteme de control,
bazate pe microprocesoare, ale căror caracteristici de funcționare sunt afectate de
perturbații în reteaua electrică de alimentare;
preocupările pentru creșterea randamentelor în procesele de producere, transport
și utilizare a energiei electrice au determinat introducerea, pe scară largă, a electronicii de
putere în controlul proceselor de conversie a energiei și a echipamentelor adaptive pentru
controlul factorului de putere;
c)consumatorii au devenit mai conștienti și mai bine informați asupra impactului pe care diferite perturbații electromagnetice (aleatoare, semipermanente sau permanente) îl au asupra echipamentelor electrice și a proceselor tehnologice (inclusiv asupra calității produsului finit) și, ca urmare, cer furnizorilor să le ofere energie electrică la parametrii de calitate contractati.
d) creșterea complexității sistemelor energetice și a influențelor reciproce între acestea și utilizatori, precum și între consumatorii racordați la același sistem de alimentare.
În prezent, utilizatorii implementează echipamente și tehnologii tot mai complexe, care reprezintă, din punct de vedere electric, o largă clasă de sarcini neliniare; furnizorii de energie electrică incurajează aceasta tendință, deoarece ea determină limitarea investițiilor în sistemele de generare, transport și distribuție a energiei electrice (ân principal, centrale și stații de transformare și/sau de distribuție), prin reducerea consumurilor în sectoarele de utilizare (strategiile DSM – Demande Side Management – aplicate în tarile dezvoltate reprezintă un elocvent exemplu in acest sens). Pe de altă parte însă, echipamentele noi, corespunzatoare tehnologiilor modeme, sunt, de cele mai multe ori, puternic afectate de calitatea redusă a energiei electrice; în același timp, aceste echipamente reprezintă, în multe cazuri, surse suplimentare de perturbații electromagnetice.
Evaluarea calitatii energiei electrice furnizată consumatorilor poate fi abordată în doua moduri:
o abordare "subiectivă" care constă în anchete asupra gradului de satisfacere a cerintelor consumatorilor; anchetele sunt efectuate pentru a se cunoaște aprecierile clienților asupra produsului energie electrica și asupra serviciului de furnizare; această abordare permite să se pună în evidență calitatea percepută de utilizator;
o abordare "obiectivă", care constă în efectuarea de măsurări privind indicatorii de calitate.
Ca orice produs sau serviciu, energia electrică livrată are o serie de parametri cantitativi (indicatori), care-i definesc calitatea.
Deși exigențele consumatorilor de energie electrică sunt din ce în ce mai mari, produsul "energie electrica" nu poate fi niciodată perfect și, în consecință, consumatorul trebuie să adopte masuri tehnologice precum protecția propriilor instalatii, în paralel cu acțiunile furnizorului pentru îmbunatațirea calității energiei electrice livrate.
Pentru unele tipuri de perturbații limitarea efectelor acestora impune acțiuni comune ale furnizorului de energie electrică și ale consumatorului.
Deoarece perturbatiile electromagnetice afectează atât parametrii economici și funcționali ai furnizorului de energiei electrică, cât și ai consumatorilor, din ce în ce mai sensibili la perturbații, apare necesară în etapa actuală, o preocupare permanenta pentru calitatea energiei electrice, planificarea și monitorizarea acesteia, standardizarea emisiilor perturbatoare, stabilirea de niveluri de compatibilitate. In acest sens:
industria de produse electrice și electronice trebuie să realizeze echipamente cu nivel al emisiilor poluante sub valorile admise;
furnizorul de energie electrică trebuie sa urmărească nivelul de poluare electromagnetică a rețelei (o planificare a acesteia), să stabilească niveluri admisibile pentru diferitele tipuri de emisii perturbatoare ale consumatorilor, astfel încât toate echipamentele conectate în rețeaua electrică să aibă condiții normale de funcționare.
O caracteristică importantă din punctul de vedere al calității energiei electrice este forma sinusoidală a curbei de tensiune. În realitate, nici o sursă nu poate asigura o tensiune perfect sinusoidală.
Consumatorii conectați la rețea, la o tensiune dată, solicită un curent a carui amplitudine și formă reprezintă o caracteristică a consumatorului și a modului lui de funcționare. În consecință, curentul, care parcurge impedanța din amonte a rețelei electrice de alimentare, determină variația tensiunii pe barele de alimentare.
Pentru ca perturbațiile pe curba de tensiune să se mențină în limite admisibile, este deci necesar să se impună limite ale emisiilor perturbatoare, determinate pe curba curentului electric absorbit de consumator. Este evidentă necesitatea corelarii dintre abaterile admise privind tensiunea în punctul comun de cuplare și cele ale curentului absorbit de consumator.
Ca urmare este necesară dezvoltarea de soluții pentru compensarea armonicilor de curent și tensiune.
Într-un sistem electroenergetic pot fi identificate urmatoarele procese principale:
producerea;
transportul;
distribuția;
utilizarea.
Fiecare dintre aceste procese are o influență specifică asupră calității energiei electrice.
Producerea:
Generatoarele din sistem asigură energia necesară consumatorilor. Controlul acoperirii, în orice moment, a necesarului de energie al consumatorilor este realizat de reglajul putere activa – frecvență.
Forma curbei de tensiune la bornele generatoarelor se urmarește să fie practic sinusoidală, în practică se consideră că aceasta tensiune este sinusoidală.
De asemenea, dimensionarea corectă a surselor din sistemul energetic determină și un alt indicator de calitate al energiei electrice și anume continuitatea în alimentare (cu efecte importante asupra funcționarii economice a consumatorilor).
Transportul:
Sistemul de transport al energiei electrice cuprinde linii electrice (de regulă aeriene) și stații de transformare de sistem. În mod obișnuit rețelele de transport functionează buclat și este asigurată rezervă, în cazul apariției unor incidente. Rețeaua de transport este supusă unor solicitări diferite electrice, mecanice, termice, chimice etc. – trasnete, chiciură, deteriorări mecanice etc. – care pot conduce la defecte pasagere (scurtcircuite) sau permanente (intreruperi).
Scurtcircuitele trebuie eliminate:
rapid, pentru evitarea deteriorarii echipamentelor, ieșirii din sincronism a generatoarelor și pierderea unor surse ale sistemului;
selectiv, pentru deconectarea partii de retea afectate (de multe ori o singura faza).
La funcționarea buclată a rețelei, pe faza afectată de defect, pe durata scurtcircuitului apare un gol de tensiune, a cărui amplitudine este maximă la locul de defect și descrește odată cu apropierea de punctele de generare. În cazul liniilor radiale, defectele sunt, în general, însotite de întreruperi de scurtă durată (la functionarea RAR -reanclanșarea automata rapida) sau de lunga durata (la deconectarea definitiva).
Din punctul de vedere al calității energiei livrate consumatorilor, rețeaua de transport este o sursă de goluri și întreruperi de tensiune, a căror durata este determinată de reglajul protecției prin relele (in cazul golurilor și întreruperilor de tensiune de scurta durată) și de tipul de defect (în cazul intreruperilor definitive).
Distribuția:
În general, rețeaua de distribuție este conectată la rețeaua de transport în stații de transformare coborâtoare, în care transformatoarele pot realiza și funcții de reglare a amplitudinii tensiunii.
Utilizare:
În numeroase cazuri practice, consumatorii sunt ei înșiși surse de emisii perturbatoare. Cele mai importante tipuri de consumatori, care determină perturbații sunt:
-consumatori care includ elemente neliniare (tracțiunea electrică urbană, instalații de inducție electromagnetică, instalații de electroliză, etc.) și absorb un curent nesinusoidal, ale cărui armonici, parcurgând impedanțele armonice ale rețelei de alimentare, conduc la tensiuni armonice pe bare;
-consumatori dezechilibrați (tracțiunea electrică interurbană, echipamente de sudare, iluminatul public, etc.), care absorb curenți de amplitudine diferită pe cele trei faze și parcurgând impedanțele amonte ale rețelei electrice determină nesimetrie de tensiune pe barele de alimentare;
-consumatori cu sarcini variabile, care produc fluctuații de tensiune pe barele de alimentare;
acestea sunt de doua tipuri:
-fluctuații puțin frecvente, ca de exemplu, pornirea unor motoare mari;
-fluctuații frecvente, modificări rapide, regulate sau aleatorii, care determină efect de flicker (ca, de exemplu, în cazul cuptoarelor cu arc electric, aparatele de sudare prin puncte etc.).
Analiza problemelor privind alimentarea cu energie electrică a consumatorilor pune în evidență doua aspecte distincte privind calitatea, aspecte care trebuie urmărite la furnizarea energiei electrice:
calitatea energiei electrice, cu referire la parametrii tehnici ai produsului (amplitudinea tensiunii, frecvență, continut armonic, simetria sistemelor trifazate);
calitatea serviciului, cu referire la continuitatea în alimentare (intrerupere de scurta și de lungă durată, siguranță în alimentare).
În mod obișnuit, cele doua aspecte sunt cuprinse, generic, sub denumirea de calitate a energiei electrice.
În conditiile creșterii numarului de utilizatori și a puterii absorbite de consumatorii cu sarcini neliniare, care mai sunt denumiti și consumatori perturbatori (echipamente cu comenzi și reglare utilizând electronică de putere, cuptoare cu arc electric, tracțiune electrică, aparatură electrocasnică modernă etc.), asigurarea calității energiei devine o problemă de o complexitate deosebită.
Producatorul de echipamente și aparate electrice trebuie să realizeze produse cu limite reduse de emisie armonică, iar furnizorul este obligat să asigure mentinerea unor niveluri admisibile ale perturbațiilor, astfel încât toate instalațiile racordate la rețea să aibă condiții normale de funcționare.
În funcționarea rețelelor electrice tensiuna reprezintă un parametru variabil în timp și spațiu. Variația în spațiu se datorează în principal căderilor de tensiune pe linii și transformatoare. Variația în timp a tensiunii se datorează modificării circulațiilor de puteri și/sau a configurației schemei electrice de alimentare.
Variațiile de tensiune în funcție de viteza de variație, se clasifică în :
Variații lente sau abateri de tensiune, având viteza de variatie sub 1%/sec;
Variatii rapide sau fluctuații de tensiune, având viteză de variație peste 1%/sec.
Abaterea de tensiune într-un anumit punct a rețelei, în procente din tensiunea nominală se estimează cu relația: unde
Us – tensiunea de serviciu a rețelei iar
Un -este tensiunea nominală a rețelei.
Considerând variația în timp a tensiunii de serviciu în punctul de rețea analizat, abaterea medie a tensiunii față de valoarea nominală într-un interval de timp T se definește ca fiind:
(1.1.1)
U(t) reprezintă abaterea de tensiune față de valoarea nominală, în punctul analizat;
Us(t) tensiunea de serviciu, la momentul t, în punctul considerat
U -nivelul mediu de tensiune, pe intervalul considerat t .
1.1.2. Valori normate ale variațiilor de tensiune;
Variații ale tensiunii de cca (5-10) % în jurul valorii nominale, având o periodicitate de cel puțin câteva minute (5 …30 minute) pot afecta regimul normal de exploatare atât în instalațiile furnizorului cât și în cele ale consumatorului.
Conform CEI, pentru punctele de racord din mediul industrial, se recomandă urmatoarele niveluri de compatibilitate privind abaterile tensiunii față de valoarea nominală:
± 8 % pentru instalații de clasa 1;
± 10 % pentru instalații de clasa 2;
± 10%…+ 15% pentru instalații de clasa 3.
În regim normal de funcționare, în majoritatea țărilor se admit abateri de ± 10%. Unele tări, admit abateri de tensiune diferite în domeniul (+) și domeniul (-). În regim de avarie se admit abateri de tensiune de cca ± 15%.
În România, conform STAS 930/89, abaterile procentuale admisibile ale tensiunii de serviciu în punctele de livrare, pentru rețelele a căror tensiune nominală se afla sub 220 kV nu trebuie sa depașească ± 10%.
Indicatori pentru fluctuații de tensiune;
Fluctuațiile de tensiune se descriu ca o serie de variații ale valorii efective ori ale valorii de vârf ale undei de tensiune între doua niveluri adiacente sau a o serie de variații ciclice ale înfașurătoarei undei de tensiune pe o anumită perioada de timp. Amplitudinea lor nu depașește în mod normal domeniul ± 10%.
1.1.3. Definiții referitoare la regimul periodic nesinusoidal în sistemele electroenergetice:
Aprofundarea problemelor legate de calitatea energiei electrice a impus și dezvoltarea unei terminologii specifice pentru descrierea fenomenelor caracteristice. Totuși, în prezent, această terminologie nu este unitară îtalnindu-se, în literatură, fie concepte și definiții diferite, fie interpretări diverse ale acelorași noțiuni. Din acest motiv, apar frecvente confuzii între producatorii de echipamente, distribuitorii de energie și utilizatori, precum și specialiștii din același sector. Apare deci o utilă prezentarea a unei terminologii legată de problema poluarii armonice a sistemelor electroenergetice.
Regimul deformant este regimul permanent de funcționare a rețelelor electrice de tensiune alternativă, în care curbele de variație în timp de tensiune și de curent sunt periodice și cel puțin una dintre ele nu este sinusoidală.
Un consumator este considerat deformant dacă deține elemente care generează, în punctul de delimitare, regim deformant.
Distorsiunea armonică:
Distorsiunea armonică a unei curbe reprezintă o abatere periodică, în regim permanent, de la formă sinusoidală a curbei (de tensiune sau de curent electric) de frecvență caracteristică sistemului analizat.
Într-un sistem electroenergetic, pot fi întâlnite urmatoarele cinci tipuri de distorsiune armonică:
-componente continue;
-armonici;
-interarmonici;
-impulsuri de comutatie;
-zgomote.
Componenta continuă este determinată de prezența unei tensiuni sau a unui curent continuu, într-un sistem energetic de tensiune alternativă. Aceasta poate să apară, în general, ca efect al unei redresări monoalternanță.
Componentele continue determină saturarea, în regim normal de funcționare, a circuitului magnetic al transformatoarelor de putere sau a altor echipamente cu circuit magnetic, conducând la încălziri suplimentare, reducerea duratei de viață și apariția poluarii armonice, prin modificarea punctului de funcționare pe caracteristica de magnetizare, fiind posibilă astfel funcționarea în zona sa neliniară.
Ca efect al componentei continue, pot aparea și corodări electrochimice ale electrozilor de legare la pământ sau a altor puncte de conexiune în instalațiile electrice.
Armonicile sunt curenți sau tensiuni sinusoidale, având o frecvență multiplu întreg al frecvenței la care sistemul este proiectat să lucreze (numită frecvență fundamentală – în mod normal, 50 Hz sau 60 Hz). Prezența armonicilor își are originea în neliniaritatea caracteristicilor echipamentelor și a receptoarelor conectate la sistemul electroenergetic; nivelul distorsiunii poate fi descris prin spectrul armonic, cu indicarea amplitudinii și a defazajului pentru fiecare armonică individuală.
Interarmonicile constituie curenți sau tensiuni având o frecvență care nu este un multiplu întreg al frecvenței fundamentale; acestea pot să apară ca frecvențe individuale sau ca spectre de bandă largă. Principalele surse ale distorsiunii interarmonice pot fi considerate convertoarele statice (de medie frecvență și cicloconvertizoarele), motoarele de inducție, dispozitivele cu arc electric, sistemele cu reglaj bipozițional etc.
Interarmonicile se caracterizează, în general, printr-o variație periodică, dar semnalul nu are perioada T (T fiind perioada corespunzatoare fundamentalei) și nici multiplu întreg al acesteia, fapt care explică apariția unor componente suplimentare față de cele care rezultă din descompunerea în serie Fourier. Au fost evidențiate semnale cu frecvență de 490 Hz și 530 Hz, în cazul acționărilor reglabile cu motoare sincrone și interarmonici cu frecvențele cuprinse între 4 Hz și 14 Hz, în cazul cicloconvertizoarelor.
În general, se poate afirma că interarmonicile sunt caracteristice conectarii a doua sisteme de tensiune alternativă având frecvențe diferite, cazul motoarelor de tensiune alternativa, alimentate prin convertoare de frecvență, fiind tipic în acest sens. Dacă frecvența sistemului energetic este f1, iar motorul este alimentat la frecvența f2, prin intermediul unui sistem redresor – invertor, curentul electric absorbit din rețeaua de alimentare de către converter va conține armonici de frecvență în care m, kєN; p1 reprezintă numarul de faze al redresorului, iar p2 numarul de faze al invertorului.
Utilizarea în sistemele de acționare a frecvențelor joase (sub 50 Hz) a pus în evidență și apariția unor semnale sinusoidale, având frecvența mai mică decât fundamentala, numite infraarmonici sau subarmonici; ele sunt generate de obicei de aceleași receptoare ca și interarmonicile și pot determina saturarea transformatoarelor de putere din sistem sau rezonante mecanice.
Impulsurile de comutație reprezintă o distorsiune periodică a tensiunii, cauzată de funcționarea normală a dispozitivelor electronice, în momentul comutației de la o faza la alta. În acest interval, apare un scurtcircuit momentan între cele doua faze (durata acestuia depinde de viteza de creștere a curentului, admisă de dispozitivul static), fapt care determina o reducere a tensiunii
Deformarea curbei de tensiune determinată de fenomene de comutație la un converter trifazat.
Zgomotul se definește ca un semnal electric nedorit, de banda larga (f<200kHz), suprapus peste curbă de tensiune sau de curent. Acesta poate fi produs de dispozitive sau echipamente electronice, sisteme de control, echipamente cu arc electric etc. În multe cazuri, efectele sale sunt amplificate de o legare la pământ necorespunzatoare. Zgomotele afectează în special echipamentele electronice bazate pe microprocesoare (microcalculatoare, automate programabile).
Element deformant:
Elementele deformante sunt elemente care produc sau amplifică semnale armonice (tensiuni sau curenți electrici).
Acestea sunt de doua tipuri:
-elemente deformante de categoria I-a sunt elementele de circuit care, alimentate cu semnale riguros sinusoidale, determina fenomene deformante; din categoria acestora fac parte convertoarele electronice, cuptoarele cu are electric și, în general, orice element de circuit pronunțat neliniar;
-elemente deformante de categoria a II-a sunt elemente de circuit care nu
produc, ele însele, regim deformant, dar care, alimentate cu mărimi
nesinusoidale, modifică distorsiunea existentă (elemente reactive care formează
circuite oscilante, ale caror frecvențe pot să coincidă cu frecvențele curenților
armonici produși de elementele deformante de categoria a I-a).
Elementele deformante de categoria I-a se mai numesc surse de regim deformant, deoarece sunt cele care produc tensiuni și/sau curenți armonici; în orice sistem electroenergetic, există surse de curenți armonici și surse de tensiuni armonice.
Sursele de curenți armonici sunt elemente de sistem care, alimentate cu o tensiune sinusoidală, absorb din rețea curenți nesinusoidali ; acestea se caracterizează printr-o pronunțată neliniaritate a caracteristicilor de funcționare.
Principalele surse de curenți armonici sunt reprezentate de echipamentele industriale sau casnice, care înglobează dispozitive electronice sau functionează pe baza descarcărilor în arc electric. Deși de putere instalată mai redusă, consumatorii casnici, fiind foarte numeroși, pot reprezenta o importantă sursa de distorsiuni armonice.
Sursele de curenți armonici pot fi împarțite în identificabile și neidentificabile.
-în prima categorie, se încadrează convertoarele electronice de putere și
cuptoarele cu arc electric deoarece, în marea majoritate a cazurilor, furnizorul de energie electrică poate identifica individual fiecare echipament de acest tip instalat de consumatorii industriali. Furnizorul cunoaște punctul de delimitare al acestor consumatori și poate depista curenții armonici injectați în sistem de fiecare consumator.
-în cea de a doua categorie, de surse armonice neidentificabile sunt incluse
sursele de comutație existente în echipamentele electrocasnice și în sistemele de calcul, precum și balasturile electronice, instalate la un numar foarte mare de consumatori alimentați din aceeași rețea.
Sursele armonice determină poluarea electromagnetică a rețelei electrice de alimentare și, din acest punct de vedere, intra în categoria generală a surselor poluante. În tabelul urmator este prezentată o comparație a surselor de poluare armonică și a celor de poluare a mediului ambiant.
Echipamentele electrice, care reprezintă surse de curenți armonici, aparțin uneia din urmatoarele trei categorii:
-electronică de putere;
-dispozitive feromagnetice;
-cuptoare cu arc electric.
Sursele de tensiuni armonice sunt surse care produc tensiuni electromotoare nesinusoidale, acestea existând chiar și în cazul în care sarcinile alimentate sunt perfect liniare.
Principala categorie de surse de tensiuni armonice o reprezintă generatoarele producătorilor de energie electrică, care nu pot genera, prin construcția lor, o curbă perfect sinusoidală, ci doar una practic sinusoidală. Totuși, conținutul în armonici al curbelor tensiunilor electromotoare produse de generatoarele modeme se incadrează în limite care justifică ipoteza unor sisteme de tensiuni practic sinusoidale, în sistemele de alimentare cu energie electrică.
Pentru generatoarele de putere mică, instalate ca surse de rezervă la consumatorii industriali, factorul de distorsiune al tensiunii poate fi mai ridicat; astfel, generatoarele auxiliare cu puteri S=(10…5000) [kVA] pot să prezinte un factor de distorsiune al tensiunii de aproximativ 4%, cu un nivel de (2….3)% al armonicii de rang 5 (nivelul armonicii de rang k = 3 este cu atât mai mare, cu cât sarcina este mai dezechilibrată).
Un caz special îl reprezintă sursele pentru alimentare neântreruptibilă UPS (Uninterruptible Power Supply), care au în componență convertoare tensiune alternativă -tensiune continuă, cu sursă tampon de tensiune continuă; la acestea, se constată o distorsionare a energiei electrice mai pronunțată a curbei de tensiune, însă echipamente moderne asigură încadrarea în limitele impuse de normativele în vigoare.
Ultimele doua categorii, datorită puterilor instalate mici, duratei de utilizare redusă și alimentării unor categorii precis determinate de consumatori, nu ridică probleme deosebite în exploatarea curentă.
O altă categorie de surse de tensiuni armonice o reprezintă sarcinile neliniare existente la consumatori; curenții nesinusoidali generați de acestea se vor propaga pe circuitele rețelei de alimentare și vor determina o deformare corespunzatoare a tensiunii, datorită căderilor de tensiune pe impedanțele armonice echivalente ale rețelei.
Perturbațiile armonice își pot face simțită prezența în puncte ale rețelei mult îndepartate de sursa deformantă, datorită propagării prin reactanțele rețelei electrice de alimentare.
Elementele deformante de categoria a Il-a amplifică armonicile de curent și/sau de tensiune existente într-un sistem electroenergetic; ele sunt reprezentate de elemente inductive sau capacitive, care conduc la modificarea raspunsului în frecvență al rețelei electrice determinând , în unele cazuri, apariția unor fenomene de rezonanță.
În general, în sistemele moderne sunt adoptate măsuri pentru limitarea emisiilor armonice ale consumatorilor perturbatori; există însă posibilitatea apariției în rețeaua electrică de alimentare a unor fenomene de rezonanță, determinate în special de prezența bateriilor pentru compensarea puterii reactive sau a circuitelor rezonante ale filtrelor de armonici. Din acest motiv, rezultă că o identificare a surselor de curenți armonici reprezintă numai o parte a activității care trebuie realizată în cazul studiilor de analiză armonică; raspunsul sistemului, pentru fiecare frecvență, determină, de fapt, adevaratul impact al prezenței consumatorilor neliniari într-un sistem energetic dat.
1.1.4. Efecte ale poluării armonice în sistemele electroenergetice:
Creșterea ponderii elementelor neliniare în sistemele electroenergetice, atât ca puteri instalate, precum și ca tipuri de echipamente, conduce la creșterea nivelului de poluare armonică a acestora cu amplificarea efectelor negative determinate de prezența armonicilor în rețeaua electrică. Aceste efecte pot fi abordate sub doua aspecte:
a) din punct de vedere tehnic:
-elementele componente ale sistemului sunt sensibile fie la curenții armonici (pierderi Joule, perturbații în domeniul audiofrecvență), fie la tensiunile deformate (pierderi în circuitele magnetice și materialele dielectrice, supratensiuni, care, în anumite cazuri, depășesc nivelurile admisibile);
-corecta funcționare a unor echipamente este afectată de prezența armonicilor de
tensiune și/sau de curent (sisteme de comanda și control, echipamente
sincronizate cu tensiunea retelei etc.);
b) din punct de vedere economic:
-creșterea cheltuielilor de fabricație pentru limitarea neliniarităților specifice
diferitelor echipamente sau pentru creșterea nivelului de imunitate. La
perturbații (încadrarea echipamentelor în clasele de imunitate impuse de
normativele în vigoare);
-creșterea cheltuielilor de exploatare pentru operații de mentenanță preventivă
sau corectivă;
-creșterea cheltuielilor de producere a energiei electrice și, în general, majorarea
investitiilor în sistemele energetice datorită necesității supradimensionării elementelor rețelei.
Efecte ale poluarii armonice asupra sistemelor de transport și distribuție a energiei electrice:
Efectele poluarii armonice asupra sistemelor de transport și distribuție a energiei electrice se referă în principal la:
-pierderi suplimentare datorită circulației curenților armonici, care determină
creșterea consumurilor proprii tehnologice, reducerea randamentului mașinilor
electrice, solicitari suplimentare ale bateriilor de condensatoare etc.;
-solicitări suplimentare ale izolațiilor determinate de nivelul tensiunilor
armonice din rețea (valorile tensiunilor depind de amplitudinea și faza
curenților armonici injectati de diverse surse, precum și de existența
fenomenelor de rezonanță).
1.2.Analiza armonică
Este operația de descompunere a unei oscilații periodice date în oscilații armonice ale căror frecvențe proprii sunt multipli întregi ai frecvenței fundamentale. Matematicianul francez Joseph Fourier a demonstrat că dacă o funcție f(t) indeplinește condițiile Dirichlet (funcția este mărginită, are un număr finit de discontinuități de prima speță și este monotonă pe porțiuni) atunci funcția se poate exprima prin sume de semnale, numite serii Fourier:
Forma dezvoltată: (1.2.1)
Forma restrânsă: (1.2.2)
Forma complexă: (1.2.3)
unde: reprezintă amplitudinea spectrală complexă;
reprezintă componenta continuă;
reprezintă amplitudinea armonicii de rang n;
reprezintă faza inițială a armonicei de rang n;
1.2.1 Ecuațiile de analiză
Cunoscând funcția f(t), se calculează:
(1.2.4)
(1.2.5)
(1.2.6)
(1.2.7)
unde: f(t) este funcția dată sub forma analitică;
T este perioada funcției analizate.
C0 este valoarea medie pe o perioada a funcției f(t).
1.2.2. Reprezentarea armonicelor componente ale unei unde
Reprezentarea individuală a armonicilor componente ale unei unde se poate face:
În procente din componenta fundamentală,exemplu în figura 1;
În procente din valoarea efectivă totală a undei deformate, exemplu în figura 2 următoare . fig. 1
fig.2
Contribuția fundamentalei și contribuția armonicei
fig.3
Contribuția fundamentalei, în valoare efectivă se definește astfel: (1.2.8)
Contribuția armonicelor, în valori efective (1.2.9)
Dacă se aplică relațiile anterioare la figură se obține
I1ef =50A; Ief=75 A; Inef=55,88 A
1.3. Filtre active
Este necesară dezvoltarea de soluții pentru compensarea armonicilor de curent și tensiune. Aceste soluții sunt reprezentate de filtre pasive și filtre active. Filtrele active de putere se amplasează în stațiile de distribuție de joasa tensiune la care sunt conectați consumatorii importanți de putere reactivă și deformantă și realizează îmbunatățirea parametrilor energiei electrice, facând să se absoarbă din rețea practic numai putere activă.
Aceiași electronică de putere ce cauzează deformarea tensiunii și curentului preluat de la rețeaua de alimentare poate fi utilizată, evident cu alt tip de comanda, pentru îmbunătațirea formei acelorași tensiuni și aceluiași curent.
1.3.1.Filtre în rețeaua de joasa tensiune
Pentru compensarea armonicilor de curent și tensiune se pot folosi filtre conectate în serie sau în paralel cu sarcina.
Fig.1.5.1 Filtre în rețea de joasă tensiune
Fig. 1.5.2. Circuitul echivalent al sistemului
1.3.2.Filtre pasive:
Soluția cu filtre pasive prezintă urmatoarele caracteristici:
-doar o singură armonică poate fi filtrată de o unitate de filtru
-gradul de filtrare este dat de relațiile între impedanțe
-curentul absorbit de filtru nu este controlabil
-filtrul generează putere reactivă
Consecințe:
-configurația rețelei trebuie cunoscută bine
-schimbările în configurația rețelei pot crea probleme
-complicație pentru control
Ca urmare filtrul pasiv nu prezintă o rezolvare optimă a acestor probleme, ne dorim ceva apropiat de un filtrul ideal, ce trebuie să aibă urmatoarele caracteristici:
-sa nu se supraîncarce
-sa fie ușor de extins și modificat
-gradul de filtrare să fie independent de rețea
-filtrarea să fie independentă de generarea de putere reactivă
-să se poată selecta gradul de filtrare
-să se poată selecta armonicile care trebuie filtrate
1.3.3.Filtrele active:
Reprezintă o noua soluție tehnică ce permite ca electronica de putere ce cauzează deformarea tensiunii și curentului preluat de la rețeaua de alimentare poate fi utilizată, evident cu alt tip de comandă, pentru îmbunătățirea formei acelorași tensiuni și aceluiași curent.
Există doua tipuri constructive de filtre active:
fară buclă de reacție
cu buclă de reacție
Fig.1.5.3 Controlul curentului fără buclă de reacție
Fig.1.5.4. Controlul curentului cu buclă de reacție
Avantaje în cazul filtrului fără buclă de reacție:
precizie buna
sistem de control ușor de realizat
pret de cost scazut
Avantaje în cazul filtrului cu buclă de reacție:
precizie superioară
siguranță mai mare
Dezavantaje:
complicarea sistemului de control
utilizat pentru îmbunătățirea factorului de putere al întregii rețele
nu este potrivită pentru utilizatori individuali deoarece puterea necesara este
mare.
În figura următoare este prezentat circuitul de bază a unui filtru activ.
Fig.1.5.5.Schema de putere
În figură este prezentat circuital de forță al unui filtru activ. Acesta este un converter comandat compus dintr-un circuit de curent continuu cu condensatoare și dintr-o punte cu trei brațe cu tiristoare și diode de regim liber. Conectarea la rețeaua de curent alternativ se face printr-un filtru trece jos. Fiecare braț este comandat cu o frecvență cuprinsă între 5-10 KHz. Filtru trece jos realizează izolarea acestei frecvențe de frecvența rețelei.
1.4. Analiza Regimului deformat
1.4.1.Determinarea parametrilor specifici regimului deformant
Pentru măsurarea parametrilor ce caracterizează regimul deformant nu este necesară achiziția sincronă pe cele trei faze , în acest caz este suficientă determinarea formei de undă a curbelor de tensiune și curent.
După ce s-au achiziționat curbele pentru toate semnalele de intrare programul de analiză a regimului deformant calculează următoarele valori:
-fazorii Uk și Ik specifici armonicii k a undelor de tensiune și curent
Uk= (1.4.1)
(1.4.2)
Se calculează numai primele 25 de armonici deoarece s-a costatat că peste aceasta limită nivelul armonicelor este prea mic pentru a mai putea fi măsurate.
-valorile efective ale armonicelor s-au calculat cu relațiile:
(1.4.3)
-puterea activă monofazată:
P = KuKi(φk) (1.4.4)
-puterea activă trifazată :
P3 = PR+PS+PT (1.4.5)
-puterea reactivă monofazată :
Q = KuKiUkIksin(φk) (1.4.6)
-puterea reactivă trifazată:
Q3 = QR+Qs+QT (1.4.7)
-puterea deformantă monofazată (1.4.8)
-puterea deformantă trifazată:
D3 = (1.4.9)
-factorului de putere monofazat :
(1.4.10)
– factorul de putere trifazat :
(1.4.11)
1.4.2. Estimarea regimului deformant
Coeficient de distorsiune
(1.4.12)
Ul este valoarea efectivă a fundamentalei undei de tensiune
Uk este valoarea efectivă a armonicei de rang k;
Sau mai poate fi exprimat si astfel
Coeficienții de distorsiune a curentului
(1.4.13)
Nivelul armonicelor de curent și tensiune
γku=(Uk/Ul )*100[%] ; γki=(Ik/Il)*100[%] ; (1.4.14)
Valoarea puterii deformate D
D= (9 ) unde prin S s-a notat puterea aparent consumată, P reprezintă puterea activă și Q puterea reactivă.
Conform normativului PE 143/94 valoarea limită maximă admisă pentru coeficientul de distorsiune a tensiunii în instalațiile de înaltă tensiune este de 3%.
Acești indicatori definiți de normativele în vigoare sunt principalele criterii utilizate pentru caracterizarea regimului deformant. Totuși, legat de aceste mărimi, se pun multe probleme, dintre care în mod deosebit și cele legate de sensibilitatea lor cu parametrii regimului (U,f) și posibilitatea de măsurare cu precizie chiar în condițiile clasice.
Pentru îmbunătățirea situației s-au propus în literatură noi indicatori numiți "capacitivi" care să permită o caracterizare mai bună a regimului deformant .
Un semnal periodic , nesinusoidal se poate descompune în serie Fourier într-o sumă infinită de armonici:
a(t)=A0+ (1.4.15)
unde A0 este valoarea medie pe o perioadă, Ak valoarea efectivă a armonicii de rang k, defazajul armonicii de rang k.
Corespunzător acestui semnal se pot defini următoarele mărimi:
valoarea efectivă capacitivă:
(1.4.16)
reziduul deformant capacitiv:
Adc= (1.4.17)
factorul de distorsiune capacitiv
δAC=Adc/Ac ; (1.4.18)
Nivelul armonicii capacitive
Γkc=KAk/Al ; (1.4.19)
1.5. Factorul de Putere-Indicator de calitate a energiei electrice consummate
Generalități
Dacă în regimul armonic monofazat, factorul de putere al unui consumator liniar se definește ca fiind raportul dintre puterea activă absorbită și puterea activă maximă pe care acesta ar putea să o absoarbă în condițiile menținerii aceleași pierderi de putere în rețeaua de alimentare (sau a aceleași valori efective a curentului), în regim trifazat nesimetric și/sau periodic nesinusoidal lucrurile devin mai complicate din cauza interacțiunii dintre circulația puterilor reactive și calitatea energiei distribuite și consumate. În aceste condiții, factorul de putere poate deveni nu numai un indicator al nivelului de putere reactivă transferată în rețea, dar și un indicator de calitate a nodului în care energia electrică este procesată .
În prezenta lucrare se vor prezenta câteva dintre tendințele care se manifestă actualmente în definirea factorului de putere în rețelele ce alimentează consumatori liniari și/sau dezechilibrați și încadrarea acestuia în randul indicatorilor globali de calitate a energiei electrice, iar apoi se va defini un factor de putere avându-se în vedere pierderile de putere longitudinale și transversale produse în rețea.
1.5.1. Tendințe în definirea factorului de putere în regim nesinusoidal
În ultima vreme se constată o preocupare intensă a cercetatorilor în legatură cu definirea și estimarea puterilor și a factorului de putere în regimuri nesimetrice și nesinusoidale. Astfel, în legatură cu factorul de putere se pot menționa:
stabilirea unor criterii de definire a factorului de putere în regim nesimetric și nesinusoidal;
extinderea definiției clasice stabilite pentru consumatorul liniar funcționând în regim sinusoidal la consumatori trifazați dezechilibrați și neliniari;
cuprinderea indicatorilor de calitate a energiei electrice în expresia factorului de putere, acesta devenind astfel un factor de calitate global al energiei consumate;
introducerea unui factor de putere momentan sau a unuia mediu definit pe baza valorilor momentane ale factorului de putere;
dezvoltarea tehnicilor digitale în vederea realizarii unor sisteme de măsurare performante.
Desigur, problema cea mai sensibilă apare la analiza valorii factorului de putere în nodurile în care sunt racordați tocmai consumatorii neliniari și dezechilibrați, ce stau la originea regimului periodic nesinusoidal și nesimetric și deci a înrăutățirii calității energiei electrice și de asemenea la aplicarea unor măsuri de penalizare a acestor consumatori (daca este cazul). Din acest punct de vedere , există doua modalități principale de a proceda: cele doua probleme și anume, definirea factorului de putere respective și analiza calității energiei electrice consumate sunt abordate diferit. Consumatorul este penalizat pentru neasigurarea calității energiei electrice consumate, mai precis pentru "poluarea" pe care o produce, iar factorul de putere se calculează ca raportul dintre puterea activă totală consumată și puterea aparentă echivalentă calculată. În aceste condiții factorul de putere își păstrează semnificația fizică, deși a pierdut proprietățile pe care le-a avut în regim sinusoidal monofazat de a caracteriza complet consumatorul; el mai reprezintă încă, un indicator de conformitate a curbelor de curent cu cele de tensiune sau a simetriei curenților și tensiunilor.
Datorita penalizarilor, consumatorul va fi preocupat să ia măsuri pentru echilibrarea sarcinii și stingerea armonicilor. Cu această ocazie va constata că problema nu poate fi soluționată separat de aceea a compensarii puterii reactive și că soluționarea completă a problemei (reducerea circulației de putere reactivă și asigurarea calității energiei electrice) presupune abordarea simultană a celor trei aspecte: compensare- filtrare-echilibrare;
Cele doua aspecte sunt abordate simultan, factorul de putere este definit ca fiind un indicator global de calitate a energiei consumate, incluzând atât clasicul "cos φ " corespunzator fundamentalei și secvenței pozitive, cât și coeficienții de nesimetrie și de deformare, care diminuează sensibil valoarea factorului de putere. Valorile scăzute ale factorului de putere – indicator global de calitate a energiei consumate, obligă plata către furnizor a unor penalități majorate, fapt ce va determina consumatorul neliniar și/sau dezechilibrat să ia măsuri pentru a-și diminua emisia de puteri armonice și de nesimetrie. În aceste condiții factorul de putere iși pierde semnificația fizică și devine pentru furnizorul de energie un instrument prin care obligă consumatorul să consume îngrijit energia electrică. Desigur trebuie menționat aici, spre exemplu, factorul de putere ajustat armonic, care asigură o mare elasticitate în aplicarea sa. Unii cercetători propun abordarea diferențiată a modului de definire a factorului de putere, corespunzator politicii energetice și a unor priorități avute în vedere în economia energetică. Oricum consumatorii trebuie atenționați dar și sprijiniți pentru a-și atenua emisiile perturbatoare în rețea.
Definirea factorului de putere
În lucrarile sale, prof. Tugulea, evidențiază câteva criterii care trebuie avute în vedere la definirea unui factor de putere în regimul periodic nesinusoidal al rețelelor electrice. Unul dintre acestea are în vedere faptul că factorul de putere trebuie să ofere informații despre consumul tehnologic (pierderile) din rețeaua de alimentare.
Astfel, dacă se au în vedere numai pierderile longitudinale din rețeaua de alimentare, pentru rețele monofazate se poate scrie:
(1.5.1)
unde ΔPc,f sunt pierderile de putere longitudinale pe linia de alimentare în situația compensarii puterii reactive și a filtrarii armonicilor de curent, adică:
(1.5.2)
r1 fiind rezistența conductoarelor liniei (sau a infășurărilor transformatorului) de alimentare pe fundamentală.
Pierderile de putere activa longitudinale pe linie AP , au expresia:
(1.5.3)
unde: γlk este nivelul armonicelor de current de rang k.
Rk este rezistența conductoarelor liniei pentru armonica de rang k
Ca urmare relația devine (1.5.4) unde și se numește coeficient de pierderi longitudinale
Dar pe lângă pierderile longitudinale, în rețeaua de alimentare par și pierderi transversale δP, a căror expresie poate fi:
(1.5.5)
Unde U1 ,Uk sunt valori efective ale tensiunii liniei de alimentare pentru fundamentala respectiv armonica de rang k;
γUk –nivelul armonicei de tensiune de rang k;
G1,Gk-conductanța liniei pentru fundamentală, respectiv armonica de rang k
Valoarea minimă a lui δP se obține în regim sinuisoidal și are expresia:
(1.5.6)
Corespunzător relațiilor (5) și (6) se poate introduce un coefficient al pierderilor transversale KδP definit cu relația:
(1.5.7)
sau (1.5.8)
cu această, expresie factorul de putere poate fi scris astfel:
(1.5.9)
În rețelele trifazate în loc de regimul periodic nesinusoidal mai apar și regimul nesimetric, ca urmare pierderile minime longitudinale și transversale apar în condițiile compensării puterii reactive, filtrării armonicilor și echilibrării sarcinii.(dar asat nu face parte din studiul de față)
1.5.3. Masurarea puterii electrice in regim deformant
Circuitele neliniare deformează curba de curent de la forma sinusoidală , introducând pe lângă fundamentala și curenți armonici având frecvență de k ori mai mare ca frecvența fundementalei, k fiind rangul armonicii :
(1.5.10)
Corespunzator curenților armonici , curba de tensiune se va deforma și ea, fiind formată dintr-o sumă de tensiuni armonice:
U = (1.5..11)
În acest caz puterea activă și reactivă consumate de circuit se vor defini dupa relațiile:
Pa (1.5.12)
Pr (1.5..13)
Măsurarea puterii active în regim deformant se poate realiza prin aceeași tehnică ca în regim sinusoidal: se calculează puterea instantanee și se determină media aritmetică a acestei mărimi :
p(t) = u(t)i(t) = (1.5.14)
deoarece integralele pentru kj se anulează.
Se observă deci, că pentru măsurarea puterii active metoda rămâne corectă în regim nesinusoidal.
În cazul puterii reactive nu se mai poate aplica defazajul tensiunii cu π/2 deoarece acest defazaj este valabil numai pentru fundamentală, celelalte armonici fiind defazate cu k*π/2, unde k este ordinul armonicii.
Problema măsurării puterii reactive în acest caz se poate rezolva prin aplicarea transformatei Fourier. Fiind achiziționate cele două semnale , informația despre defazajul semnalelor se păstrează după procesul de conversie analog/numerică. Se aplică transformata Fourier pentru fiecare semnal în parte și se determină amplitudinea și defazajul fiecărei componente a semnalelor de intrare:
Uk,, Ik, , k = 1,2, ….. n . Cu aceste valori se calculează puterea reactivă consumată de receptorul neliniar.
1.6. Influența regimului deformat asupra aparatelor electrice analogice de măsură
Utilizarea din ce în ce mai largă în sistemul energetic a consumatorilor deformanți impune necesitatea de a analiza efectele armonicilor superioare asupra elementelor din sistem și a stabili astfel nivelul maxim admisibil al acestor armonice, pentru a preântâmpina eventuala agravare a acestor efecte sau pentru a găsi mijloacele de îndreptare.
Influența regimului deformant asupra echipamentelor electrotehnice poate fi determinată precis prin cercetări asistate de metode și mijloace de măsurare adecvate decalării calitative și cantitative a fenomenelor fizice produse de armonicele de tensiune și de curent asupra fiecărui tip de echipament.
Investigații teoretice și experimentale au pus în evidență faptul că, în general, prezența regimului deformant influențează condițiile de funcționare ale aparatelor electrice de măsură (a mijloacelor de măsurare în general) și în special precizia acestora.Această influență este mai puțin importantă la ampermetrele și voltmetrele electromagnetice, electrodinamice și electrostatice, cu condiția ca echipamentele mobile să fie practic lipsite de orice piese magnetice saturate. Pentru aparatele de inducție această concluzie este valabilă numai dacă unda de curent sau de tensiune nu conține termenul constant. În cazul când acest termen există, aparatul va înregistra întotdeauna în minus. Eroarea corespunzătoare, având caracterul unei erori sistematice, va fi dată de relația:
(1.6.1)
Influența este mai mare asupra wattmetrelor și asupra contoarelor de aceeași clasă (de tipul contorului Thomson). Un regim deformant produce o mărire a erorilor acestor aparate. Aceste erori pot atinge o valoare negativă de ordinul 7% pentru regimurile inductive.
Experimental s-a constatat că aceste erori devin pozitive pentru regimurile capacitive.
Regimul deformant determină erori suplimentare în funcționarea aparatelor electrice și electronice de măsură, în special a contoarelor de inducție, deci erori în măsurarea energiei active și reactive, pentru contoarele de inducție, regimul deformant putând să mărească până la aproximativ 30% în minus.
Măsura energiei electrice cu un contor electric este egală cu numărul total de rotații efectuat de disc într-un anumit timp
(1.6.2)
I.A. Antoniu a demonstrat că, în cazul unui regim deformant, viteza de rotație a discului este dată de relația
(1.6.3)
în care k1, k2 și k3 sunt factori depinzând de elementele constructive ale contorului, F un factor ce caracterizează frecările în contor, B inducția magnetică a magnetului permanenet, P puterea totală din circuit, pn puterea produsă de o pereche de armonici și Uefn valoarea efectivă a armonicii de tensiune de ordinul n.
Ținând seama că un contor nu poate fi reglat decât pentru o singură armonică, funcționând într-un regim deformant, indicațiile sale vor întotdeauna eronate.
Neglijând diferența
(1.6.4)
care, în general, este mică, eroarea unui contor de inducție funcționând în regim deformant este dată de relația
(1.6.5)
Nu se poate spune nimic despre această expresie a erorii contorului .Într-adevăr, ea poate avea termeni pozitivi sau negativi, în raport cu puterea Pn al cărei semn depinde de defazajul dintre undele de curent și de tensiune corespunzătoare; eroarea este funcție și de semnul expresiei k1-k2, care depinde numai de elementele constructive ale contorului și deci, de faptul că ordinul unei armonici superioare este un număr întreg, întotdeauna mai mare ca unitatea (n>1). Deci, este foarte probabil ca, în general, eroarea contorului să fie negativă și, deci, un contor reglat în regim sinusoidal și funcționând în regim deformant va indica în minus.
Dacă în regimul deformant ambele curbe – de curent și de tensiune – au termeni constanți, contoarele de inducție nu vor indica energia corespunzătoare și eroarea suplimentară, având caracterul unei erori sistematice, va fi
(1.6.6)
Influența armonicilor asupra preciziei contoarelor de inducție este studiată de Comitetul Tehnic al CEI, care recomandă ca ele să nu fie influențate cu mai mult de 1% de o tensiune sinusoidală și un curent de armonică 3 de 10% . Trebuie reținut că erorile suplimentare devin importante pentru sarcini mici ale contorului și ele sunt întotdeauna pozitive.
O analiză mai amănunțită a funcționării contoarelor de inducție în regim deformant se va face în cele ce urmează.
Efectele pertubatorii ale regimului deformant asupra funcționării aparatelor electrice de măsurare au fost analizate de studii de specialitate românești și străine. În ultimii ani cercetările s-au concentrat, îndeosebi asupra preciziei de măsurare a energiei active, în circuite cu dispozitive semiconductoare.
Analiza funcționării aparatelor electrice de măsurare în regim deformant impune parcurgerea următoarelor etape:
a) realizarea unui “model”, în cadrul căruia să se exprime, sub forma unor relații matematice, aspectele fizice ale funcționării aparatului în regim deformant; modelul trebuie să permită predeterminarea preciziei de măsurare, a mărimii date, în funcție de:
-parametri externi (caracteristicile rețelei în care este conectat aparatul, caracteristicile consumatorului analizat);
-parametri interni (constructivi și funcționali ai aparatului);
-parametri de relație sistem energetic-aparat de măsurare;
b) determinarea, prin calcul sau prin metode experimentale, a parametrilor externi, interni, ca și ai celor de relație sistem energetic-aparat de măsurare.
c) verificarea modelului adoptat, prin compararea erorii calculate cu eroarea măsurată, pentru câteva cazuri tipice;
d) relevarea, pe baza modelului adoptat, a unor măsuri de compensare sau de atenuare a influenței armonicilor de rang superior, asupra preciziei de măsurare a parametrilor mărimii nesinusoidale;
e) stabilirea cazurilor în care erorile pot deveni inadmisibil de mari și evitatrea lor în practică.
În sistemele electroenergetice poluate armonic sunt necesare informații exacte asupra valorii efective a curentului electric din circuit (determină solicitările termice din rețeaua electrică), asupra valorii maxime a tensiunii (determină solicitările electrice ale izolației) și asupra energiei produsă, transportată sau consumată(determină relațiile financiare dintre furnizori și abonați).În consecință, este necesară cunoașterea efectelor regimului deformant asupra preciziei tipurilor funcționale de aparate existente, în scopul alegerii adecvate a mijlocului de măsurare, astfel încât rezultatul măsurării, desfășurată în condițiile poluării armonice, să fie cât mai apropiat de valoarea reală a mărimii măsurate.
Aparatele electrice, mijloacele de măsurare în general,sunt concepute, realizate și etalonate pentru funcționarea în regim sinusoidal, corespunzător unei frecvențe de referință (în mod uzual, 50 Hz) sau unui interval de referință de frecvență (indicat pentru fiecare tip de aparat). În cazul unor frecvențe diferite de frecvența pentru care a fost proiectat și realizat mijlocul de măsurare pot să apară modificăriale parametrilor săi funcționali, afectând rezultatul măsurării.
Pentru stabilirea cauzelor care determină erori la măsurarea parametrilor mărimilor periodice nesinusoidale, ca și a mărimilor pentru diminuarea acestor erori, este utilă analiza funcționării aparatului electric de măsurare ,considerat ca un lanț de convertoare.Sub cea mai simplă formă, un aparat de măsurare poate fi considerat ca fiind compus din figură
-convertor de intrare
-convertor de prelucrare
-convertor de ieșire
Valuare de măsurat
Valoare măsurată
Convertorul de intrare transformă mărimea de măsurat într-un semnal adaptat convertorului de prelucrare: curent electric, tensiune electrică, număr de impulsuri.
Convertorul de prelucrare (amplificator, divizor, circuit de mediere, formator de impulsuri etc.) transformă semnalul de la intrarea sa într-o mărime care poate acționa convertorul de ieșire.
În analiza răspunsului unui aparat de măsurare în regim deformant, se admite ipoteza unui semnal nesinusoidal de intrare, periodic, care îndeplinește condițiile Dirichlet.
Mărimea nesinusoidală, al cărei parametru se măsoară, poate fi exprimată printr-o serie trigonometrică (Fourier) în care intervin: o componentă continuă (valoarea medie a mărimii) și termeni care sunt funcții sinusoidale, de frecvență fundamentală și frecvențe armonice. În acest fel, analiza funcționării unui aparat de măsurare în regim deformant impune, ca o primă etapă necesară, determinarea răspunsului la un semnal de intrare sinusoidal, de frecvență variabilă.
1.6.1. Avantajele măsurării numerice a energiei electrice
Societățile de distribuție și servicii publice și-au dezvoltat legăturile cu industria electronică de-a lungul ultimilor câțiva ani. Astăzi consumatorii pot beneficia de avantajele unei contorizări a energiei cu aparate electronice. Dintre aceste avantaje se pot enumera:
1.Deservirea clienților este îmbunătățită prin citirea de la distanță a contorului și managementul eficient al datelor. În plus, având date despre parametrii energiei consummate, aceștia beneficiază o mai eficientă utilizare a puterii printr-un management energetic optim. Pierderile de putere pot fi detectate, identificate și corectate mai rapid pentru utilizatorii ale căror contoare sunt conectate într-o rețea.
2.Vârful de sarcină este minimizat, în ciuda creșterii populației prin intermediul unei politici de distribuție și tarifare multiplă. Reducerea puterii generate în orele de vârf minimizează factorii de perturbare și populare a mediului.
3.Consumatorii pot beneficia de tarife reduse prin utilizarea contoarelor de energie controlate cu carduri de plată moderne, ce au prețuri scăzute pentru serviciile furnizate, cu citire a valorilor înregistrate și procesarea automată a datelor.
4.Îmbunătățirea preciziei de măsurare în ciuda sarcinilor neliniare .Contoarele electromecanice nu sunt capabile să măsoare précis energia în prezența schemelor de reglare a sarcinilor în rețele de distribuție. Măsurările electronice sunt mult mai robuste și precise în astfel de condiții.
Există în momentul de față o gamă largă de echipamente electronice destinate măsurării cu precizie a energiei. Ele variază de la măsurări pur analogice pentru aparate ce realizează mixarea semnalelor utilizând funcții predefinite, până la microsisteme numerice ce au la bază un controler programabil. Contoarele electronice depășsc ca performanțe și funcționalitate contoarele electromecanice, dar costul și fiabilitate sunt adesea stabilite de către firmele producătoare în etapele de selecție a componentelor și proiectare a circuitelor.
1.6.2. Particularități ale proiectării schemelor electronice ale contoarelor numerice
Proiectarea sistemelor, echipamentelor și modulelor electronice performante a devenit o activitate din ce in ce mai delicată din cauza creșterii frecvențelor de lucru, a miniaturizării și a particularităților locului unde va fi amplasat aparatul respectiv (poluarea electromagnetică a mediului). Prin scăderea dimensiunilor sistemului (deci și a componentelor), a marginii de zgomot, a timpilor de propagare prin porțile logice, a timpilor de front a semnalelor care se propagă, s-a ajuns la situația de a crea mari probleme proiectanților de componente dar și a proiectanților de plăci.
Plecând de la idea că sistemele numerice de contorizare a energiei electrice sunt plasate lângă elementele componente ale rețelei de alimentare, în zone conexiuni, funcționarea necorespunzătoare a aparaturii de forță (conectări deconectări,avarii, contacte imperfecte, transformatoare, etc.) poate foarte ușor introduce perturbații importante în sistemele de măsură. Pe de altă parte, sistemul digital și mai ales sursele de comutație care alimentează, pot genera armonici de rang superior care se suprapune peste tensiunea de 50 Hz. Acestea sunt motivele care fac ca sistemele numerice să fie mult mai pretențioase decât sistemele electromecanice clasice(contoarele cu inducție).
În aceste condiții se impune o ecranare corespunzătoare a surselor de alimentare și circuitelor electronice consecutiv cu adaptarea impedanței și separarea galvanică a interfeței dintre echipamentul de măsură și rețeaua de forță, respectarea tuturor recomandărilor fabricantului privind amplasarea, montarea, exploatarea și verificarea acestor sisteme.
În ceea ce privește proiectarea și realizarea aparaturii numerice de monitorizare, fabricantul trebuie pe de o parte să respecte în totalitate regulile de realizare a cablajelor imprimate, dispunerea pieselor, să calculeze amănunțit parametrii electrici ai cablajului (impedanțele parazite ce apar,fenomene de colț) și să ia măsuri pentru minimizarea efectelor ce pot apărea în eventualele regimuri tranzitorii ale rețelei măsurate.
O altă obligație a fabricantului este testarea finală a echipamentelor din punctual de vedere al compatibilității electromagnetice în concordanță cu normele și standardele în viguare precum și testarea fiabilității și stabilirea exactă a perioadelor de verificare metrologică, testare și recalibrare.
1.7. Mărimi de influență specifice regimului deformant
În estimarea erorilor cu un aparat de măsurare, trebuie să se țină seama de ansamblul condițiilor în care acesta este utilizat.
În procesul de măsurare ( fig. 1.9.1) sunt prezente o serie de mărimi, diferite de mărimea de măsurat (măsurand), care pot influența precizia măsurării, numite mărimi de influență.
Figura 1.9.1
pntru măsurările în regim deformant, mărimile de influență specifice sunt:
– frecvența;
-coeficientul de distorsiune ( caracterizează forma curbei de variație periodică în timp a unui curent sau a unei tensiuni)
Dacă mărimea de măsurat are o frecvență diferită de frecvența de referință sau de frecvențele cuprinse în intervalul de referință de frecvențaă al mijlocului de măsurare, apar erori de frecvență.
Investigații experimentale au pus în evidență faptul că sunt mijloace de măsurare care prezintă erori mari de frecvență ( de exemplu, trnsformatorul inductiv de măsură de tensiune, contorul de inducție).
În condițiile regimului deformant, se constată că este afectată precizia de măsurare îndeosebi a acelor mijloace de măsurare care prezintă erori mari de frecvență.
Studii teoretice și experimentale au permis elaborarea unor expresii analitice pentru erorile de frecvență, pentru aproape toate tipurile de aparate, în cazul măsurării parametrilor unor mărimi periodice nesinusoidale.
Au fost relevate concluzii utile pentru proiectarea aparatelor de măsurare, astfel încît acestea să funcționeze într-un interval cât mai larg de referință de frecvență.
Elaborarea unor tipuri funcționale, bazate pe principii noi, folosirea unor materiale și componenete de performanțe superioare, precum și utilizarea unor scheme de compensare a erorilor de frecvență, sunt premisele care asigură, la aparatele moderne, extinderea intervalului de referință de frecvență, în cadrul căruia se obține o precizie bună de măsurare a parametrilor mărimilor periodice nesinusoidale.
La măsurarea parametrilor unei mărimi, care este o funcție periodică de timp, dar nesinusoidală, aparatele electrice, care au fost etalonate pentru mărimi cu variație sinusoidală în timp, la frecvența de referință (50 Hz), prezintă erori datorită abaterii de la forma sinusoidală. Aceste erori pot fi neglijabil mai mici la unele tipuri de aparate (de exemplu, ampermetrele electrodinamice etalonate în valori efective) și pot depăși cu mult limitele impuse de clasa de precizie la alte tipuri de aparate (de exemplu, voltmetrele electronice de valoare medie și de valoare de vârf, gradate în valori efective).
Erorile datorate abaterii de la forma sinusoidală a mărimii de măsurat, numite erori de formă a curbei, sunt, în unele lucrări, considerate ca fiind “erori externe” aparatelor.
Erorile de formă a curbei nu depind numai de parametri externi (amplitudinile și defazajele armonicilor de rang superior față de armonică fundamentală), ci și de tipul aparatului, de structura sa funcțională internă, de modul de etalonare a acestuia, ca și de factori de relație rețea electrică-aparat de măsurare.
Elaborarea unei expresii teoretice de calcul al erorii în regim deformant implică:
realizarea “modelului” matematic al aparatului și precizarea parametrilor interni (constructivi și funcționali) și a parametrilor din relația rețea- aparat de măsurare;
determinarea parametrilor externi (amplitudinile și defazajele, față de armonică fundamentală, ale armonicilor de rang superior;
stabilirea răspunsului aparatului de măsurare la un semnal de intrare sinusoidal, de frecvență variabilă;
stabilirea răspunsului aparatului de măsurare la semnalul nesinusoidal de intrare, considerat periodic și îndeplinind condițiile Dirichlet; se consideră, în acest sens, aplicabil principiul suprapunerii efectelor.
În multe cazuri însă, prezența pieselor feromagnetice, neliniaritatea circuitelor magnetice, interacțiunea dintre circuitele apratului limitează aplicabilitatea principiului suprapunerii efectelor; din acest motiv, valorile erorilor determinate experimental pot depăși valorile erorilor estimate teoretic. Se recomandă în acest sens, o verificare exprimentală a comportării aparatului chiar în regimul deformant în care se utilizează.
Bibliografie
M. Crețu, C Sărmașanu, C. Foșalău,C. Niță- “Systeme pour gestion de puissance et d’energie a les consommateurs”,Buletinul Institutului Politehnic din Iasi
M. Crețu, C Sărmașanu, C. Foșalău,C. Niță- “ Cercetari privind masurarea parametrilor regimului deformat si nesimetric in retele electrice” Simpozionul international “ELECTRO
M. Antoniu- “Masurari electronice” Ed. “Gh. Asachi” 1995
M.Antoniu I.S- “Functionarea aparatelor de masura cu inductie in regim deformat”, “Electricitatea”
M. Antoniu -“Masurari electronice ” vol 2-aparate si sisteme de masura numerice, ED Satya, 1997
Balan D., Balan T, Bruma N, Popa C.- Caracteristicile regimului deformat –vol. 3 al Sesiunii jubiliare de comunicari stiintifice, septembrie 1994
Barbulescu D., Popescu I, Zaharia I, Sufletel N.-“Eroarea de masurare a energiei active in retele electrice functionand in regim deformat”-vol. 3 al Sesiunii jubiliare de comunicari stiintifice , Iasi noiembrie 1998
Cottet F., Ciobanu O.-“Bazele programarii in LabVIEW”- Ed. Matrix Rom, Bucuresti, 1998
Bibliografie
M. Crețu, C Sărmașanu, C. Foșalău,C. Niță- “Systeme pour gestion de puissance et d’energie a les consommateurs”,Buletinul Institutului Politehnic din Iasi
M. Crețu, C Sărmașanu, C. Foșalău,C. Niță- “ Cercetari privind masurarea parametrilor regimului deformat si nesimetric in retele electrice” Simpozionul international “ELECTRO
M. Antoniu- “Masurari electronice” Ed. “Gh. Asachi” 1995
M.Antoniu I.S- “Functionarea aparatelor de masura cu inductie in regim deformat”, “Electricitatea”
M. Antoniu -“Masurari electronice ” vol 2-aparate si sisteme de masura numerice, ED Satya, 1997
Balan D., Balan T, Bruma N, Popa C.- Caracteristicile regimului deformat –vol. 3 al Sesiunii jubiliare de comunicari stiintifice, septembrie 1994
Barbulescu D., Popescu I, Zaharia I, Sufletel N.-“Eroarea de masurare a energiei active in retele electrice functionand in regim deformat”-vol. 3 al Sesiunii jubiliare de comunicari stiintifice , Iasi noiembrie 1998
Cottet F., Ciobanu O.-“Bazele programarii in LabVIEW”- Ed. Matrix Rom, Bucuresti, 1998
Copyright Notice
© Licențiada.org respectă drepturile de proprietate intelectuală și așteaptă ca toți utilizatorii să facă același lucru. Dacă consideri că un conținut de pe site încalcă drepturile tale de autor, te rugăm să trimiți o notificare DMCA.
Acest articol: Studiu Privind Regimul Deformant (ID: 124261)
Dacă considerați că acest conținut vă încalcă drepturile de autor, vă rugăm să depuneți o cerere pe pagina noastră Copyright Takedown.