Utjecaj Viših Harmonika u Napojnoj Mreži i Njihovo Potiskivanje

SADRŢAJ 1. UVOD .........................................................................................................................................3 2. POJAM I DEFINICIJA HARMONIKA (HARMONIJSKA KOMPONENTA) ........................4 3. HARMONIJSKI INDEKSI I DRUGE VELIĈINE BITNE ZA NJIHOVU ANALIZU ...........6 4. OSNOVNI I TREĆI HARMONIK .............................................................................................8 5. IZVORI VIŠIH HARMONIKA ................................................................................................10 6. FURIJEROV RED ....................................................................................................................11 7. ISPRAVLJAĈI ..........................................................................................................................13 7.1. POLUVALNI ISPRAVLJAĈ ............................................................................................13

7.2. PUNOVALNI ISPRAVLJAĈ............................................................................................13 7.3. M-FAZNI ISPRAVLJAĈ ..................................................................................................15 8. UKUPNO HARMONIJSKO IZOBLIĈENJE ...........................................................................15 9. UĈINCI VIŠIH HARMONIKA ................................................................................................16 9.1. TRENUTNI EFEKTI VIŠIH HARNOMINA ....................................................................16 9.2. DUGOTRAJNI EFEKTI VIŠIH HARMONIKA ..............................................................17 9.3. UĈINCI STRUJNOG IZOBLIĈENJA ..............................................................................17 9.4. UĈINCI NAPONSKOG IZOBLIĈENJA ..........................................................................18 9.5. UĈINCI VIŠIH HARMONIKA NA MOTORE ................................................................18 9.6. UĈINCI VIŠIH HARMONIKA NA TRANSFORMATORE ...........................................18 9.7. UĈINCI VIŠIH HARMONIKA NA KONDENZATORSKE BATERIJE ........................18 9.8. UĈINCI VIŠIH HARMONIKA NA KABLOVE...............................................................19 10. MJERENJE SADRŢAJA HARMONIKA ................................................................................19 11. PRIHVATLJIVE GRANICE HARMONIKA, SVRHA ‘ĈIŠĆENJA’ NAPOJNE MREŢE ...20 12. METODE ZA ELIMINACIJU VIŠIH HARMONIKA I NJIHOVO POTISKIVANJE .............1 12.1.

PASIVNE METODE ZA SUZBIJANJE VIŠIH HARNOMINA ..................................1

12.2.

AKTIVNA KOREKCIJA FATKORA SNAGE ............................................................1

13. ZAKLJUĈAK .............................................................................................................................1 14. LITERATURA ............................................................................................................................1

Utjecaj viših harmonika u napojnoj mreţi i njihovo potiskivanje

1. UVOD Elektriĉna energija se obiĉno prenosi u vidu tri naponska, odnosno strujna talasa koji formiraju sinusni (kosinusni) trofazni sistem. Jedna od bitnih karakteristika ovih talasnih oblika je što moraju biti što bliţi po svojim vrednostima sinusnom (kosinusnom) talasnom obliku. Ako su ovi talasni oblici izobliĉeni iznad odreĊenih limita, oni moraju biti korigovani da bi zadovoljili prethodni zahtijev. Izvori izobliĉenja i harmonika u mreţama su: elektriĉne luĉne peći, statiĉki elektroenergetski pretvaraĉi, sistemi osvetljenja i sl. Prije svega to su nelinearni potrošaĉi u distributivnim mreţama te to dovodi do niza negativnih efekata koji se odraţavaju kako na samu mreţu tako i na ostale potrošaĉe. Osnovni cilj ovog rada je da predstavi probleme koji potiĉu od navedenih izvora izobliĉenja i harmonika. Harmonici u elektroenergetskom sustavu nisu novi fenomen. Još je 1916. ameriĉki inţenjer njemaĉkog porijekla C.P. Steinmetz (1865.-1923.) objavio tekst posvećen harmonicima u trofaznom elektroenergetskom sustavu. U to vrijeme najviše paţnje posvećivalo se strujama trećeg harmonika nastalim uslijed zasićenja jezgri transformatora i motora. Steinmetz je prvi predloţio spoj namota transformatora u trokut u cilju spreĉavanja prolaska trećeg harmonika u mreţu višeg napona. U ovom seminarskom radu imati ćete priliku upoznati se sa problemima i posljedica viših harmonika u mreţi, kao i s riješenjima koja daju zadovoljavajuće rezultate u praktiĉnim primjenama. Iako pojedinaĉan nelinearni potrošaĉ u distributivnoj mreţi zbog svoje male snage ne utiĉe na promjenu valnog oblika napona, uslijed velikog broja takvih potrošaĉa, njihov ukupni utjecaj moţe biti znaĉajan.

2


2. POJAM I DEFINICIJA HARMONIKA (HARMONIJSKA KOMPONENTA) Harmonijska izobliĉenja moţemo podijeliti na : harmonike, meĊuharmonike (interharmonike) i podharmonike (subharmonike). Harmonici su pojava komponenti u signalu ĉija je frekvencija cjelobrojni umnoţak osnovne frekvencije signala. Dakle za 50 Hz-ni sistem harmonici su komponente frekvencije 100 Hz, 150 Hz, 200 Hz, 250 Hz itd. Ove harmonike redom nazivamo drugi, treći, ĉetvrti, peti itd. MeĊuharmonicima pak nazivamo komponente ĉija frekvencija nije cjelobrojni umnoţak osnovne frekvencije. Tako bi npr. Za 50 Hz-nu mreţu komponenta od 70 Hz bila meĊuharmonik. U posebnu klasu meĊuharmonika spadaju podharmonici ili subharmonici, ĉija je frekvencija dio osnovne frekvencije signala – na primjer 30 Hz, 25 Hz, 16 2/3 Hz itd. Pojava meĊuharmonika i subharmonika u mreţi je sve ĉešća i njima će biti posvećen poseban dio. U svojoj suštini harmonici su matematiĉki model koji opisuje periodiĉni signal u odnosu na referentni sinusni signal. Sva odstupanja signala u odnosu na referentni sinusni talas se opisuju odreĊenim spektrom harmonika. Svaki harmonik je opisan svojom frekvencijom, poĉetnim uglom i amplitudom. Najĉešće se amplitude harmonika izraţavaju u odnosu na amplitudu osnovnog harmonika, pa se tako na primjer kaţe da je treći harmonik 60%, a peti 40%. Dakle misli se na procentualnu vrijednost u odnosu na osnovni harmonik. Visok sadrţaj harmonika potpuno deformiše signal tako da se sasvim gubi sinusni oblik. Pod signalom se ovdje podrazumijeva ili napon ili struja. Harmonici mogu biti prisutni u oba sluĉaja. Na slici 1. i slici 2. je prikazan primjer signala kod koga je treći harmonik 80% a peti 60% vrijednosti osnovnog. Svaka periodiĉna nesinusna vremenska promjena napona moţe se predstaviti kao suma periodiĉnih sinusnih vremenskih promjena napona s meĊusobno razliĉitim frekvencijama. Viši harmonici i meĊuharmonici su idealne sinusoide ĉije frekvencije zadovoljavaju relaciju: , gdje su: - red (redni broj) harmonika i - frekvencija osnovnog harmonika, odnosno harmonika prvog reda (N = 1).

3

(1)


Slika 1. Signal sa izraţenim trećim i petim harmonikom

Slika 2. Signal sa izraţenim trećim i petim harmonikom Kao što se vidi ovaj talasni oblik jako odstupa od sinusnog, tako da instrumenti koji rade na principu mjerenja srednje apsolutne vrijednosti daju netaĉne vrijednosti. TakoĊe se moţe primjetiti da signal posjeduje više od dva prolaza kroz nulu po periodi tako da oprema koja radi na principu detekcije prolaska signala kroz nulu neće ispravno raditi. Naponi meĊuharmonika su sinusni naponi ĉija frekvencija nije cjelobrojni umnoţak frekvencije osnovnog harmonika, odnosno za meĊuharmonike N nije cijeli broj. Naprimjer, ako osnovni harmonik ima frekvenciju f1 = 50 Hz, meĊuharmonik moţe imati frekvenciju 70 Hz. Prisustvo meĊuharmonika uzrokuje da ukupni (izobliĉeni) napon ima period veći od perioda osnovnog harmonika, što je prikazano na slici 3.

4


Slika 3. Izobliĉeni oblik napona Frekvencije viših harmonika i meĊuharmonika su veće od frekvencije osnovnog harmonika (N > 1). MeĊutim, u EES se sve više javljaju i harmonici ĉija je frekvencija manja od frekvencije osnovnog harmonika (N < 1) koji se nazivaju subharmonici. Naprimjer, za f1 = 50 Hz, subharmonici napona mogu imati frekvencije 30 Hz, 25 Hz, 16 2/3 Hz, itd. Nisu zvaniĉno definirani! Kada se govori o harmonicima najĉešće se misli na harmonike struje zato što harmonici i nastaju kao harmonici struje, koji u mreţi uzrokuju harmonike napona. Ako postoji problem sa harmonicima moramo poznavati harmonijski spektar, to jest sadrţaj svakog pojedinaĉnog harmonika posebno. Ipak i dalje se ĉesto koristi THD ( totalno harmonijsko izobliĉenje ) za opisivanje nivoa harmonika.

3. HARMONIJSKI INDEKSI I DRUGE VELIĈINE BITNE ZA NJIHOVU ANALIZU Na ovom mjestu slijedi opis nekoliko indeksa (veliĉina) koje opisuju harmonijska izobliĉenja. Svaka od slijedećih veliĉina se moţe definisati i za struje i za napone. -

Efektivna vrijednost (RMS Value)

Vrlo vaţna veliĉina; zagrijavanje provodnika kroz koje protiĉe struja je odreĊeno upravo efektivnom vrijednošću struje. Definiše se kao: ( )

=√ ∫

(2)

Ako imamo signal sa više frekvencija ( tj. ako imamo više harmonike) efektivna vrijednost se raĉuna kao: =√

(3)

5

Utjecaj viših harmonika u napojnoj mreţi i njihovo potiskivanje -

Vršni faktor (Crest Factor) - CF

Bitan je za odreĊivanje dielektriĉnog stresa koji trpi materijal. Definiše se kao odnos vršne i efektivne vrijednosti signala. (4)

-

Harmonijski faktor (Harmonic Factor) - HF

Definiše se za svaki harmonik posebno kao odnos efektivne vrijednosti tog harmonika i efektivne vrijednosti osnovnog harmonika. (5) -

Totalno harmonijsko izobličenje (Total Harmonic Distortion) - THD (poglavlje 8)

-

Najniži značajni harmonik (Lowest Order Harmonic) - LOH

To je onaj harmonik ĉija je frekvencija najbliţa osnovnom harmoniku (tj. mreţnoj uĉestanosti), a ĉija je amplituda veća ili jednaka 3% od amplitude osnovnog harmonika. -

Faktor snage (Power Factor) – PF |

||

|

(6)

Široko rasprostranjena upotreba. Primjenjuje se u odreĊivanju koliĉine reaktivne energije koja treba da se plati uslijed induktivnog opterećenja. Vrlo pribliţno odslikava gubitke u mreţi uslijed toka reaktivne snage. -

Faktor pomjeraja (Displacement Power Factor) - DPF (

)

(7)

To je cos(φ) osnovnog harmonika i ĉesto se pogrešno upotrebljava umjesto faktora snage (PF). Za ĉist sinusni napon ova dva faktora su jednaka. Ako postoje viši harmonici onda naravno postoji razlika izmeĊu DPF i PF ili kako ga još nazivaju TruePF ( TPF ) i tada izmeĊu njih postoji veza:

(

)

(8)

gdje su: - efektivna vrijednost prvog harmonika i - "puna" efektivna vrijednost signala.

6

Utjecaj viših harmonika u napojnoj mreţi i njihovo potiskivanje -

Indeks izobličenja (Distortion Index) - DIN √∑

(9) -

Faktor distorzije (Distortion Factor) - DF √∑

(

)

(10)

4. OSNOVNI I TREĆI HARMONIK Viši harmonici tvore, ovisno o njihovu rangu, simetriĉne trofazne sisteme direktnog, inverznog i nultog sistema pa, prema tome, harmonici struje, koji stvaraju direktni sistem, uzrokuju odgovarajuće padove napona na direktnim impedansama grana u mreţi, pri ĉemu treba uzeti u obzir impedansu, koja odgovara frekvenciji odreĊenog harmonika. U stacionarnom radu trofaznog sistema, fazni naponi koji sadrţe harmonike dati su u sljedećim relacijama: ( ) ( ) ( )

∑ ∑ ∑

(

√ √ √

) ( (

) )

(11)

gdje je: – uĉestanost, VN – efektivna vrijednost napona N-tog harmonika. Osnovni harmonik (N=1) daje direktni (d), drugi harmonik (N=2) inverzni (i), a treći harmonik (N=3) daje nulti (0) trofazni sistem. Stoga, direktni sistem ĉine harmonici reda: N=3 n+1

za n=0, 1, 2...

(12)

za n=1, 2, 3...

(13)

Inverzni sistem ĉine harmonici reda: N=3 n-1 Nulti sistem ĉine harmonici reda: 7


N=3 n

za n=1, 2, 3...

(14)

Niz harmonika moţe se podijeliti na: a) parne harmonike (N je paran broj). Parni harmonici struje (a preko odgovarajućih impedancija i napona) mogu nastati samo zbog takve smetnje u mreţi, koja se ne oĉituje identiĉno na obje poluperiode osnovnog vala. Rijetko se pojavljuju (izazivaju ih npr. ispravljaĉi s poluvalnim ispravljanjem) i zbog toga se rijetko razmatraju, premda ti harmonici izazivaju teţe posljedice od ostalih. b) sve harmonike djeljive s 3 (N je broj djeljiv s 3). Oni tvore nulti sustav, pa se po tome izdvajaju od ostalih. Najĉešće nastaju pri magnetiziranju zasićenih ţeljeznih jezgri, pri ĉemu je najviše istaknut treći harmonik. Struje harmonika te skupine zatvaraju se kroz mjesta gdje je nulti sustav spojen s nulom sustava. Pri tome namotaji transformatora spojeni u trokut igraju odluĉujuću ulogu, dodatno i zato što omogućuju cirkulaciju harmonika N=3, nastalog magnetiziranjem jezgre. c) preostale harmonike, tj. one kojima je rang neparan broj, a tvore izravni ili inverzni sustav. U analizama se oni najĉešće obraĊuju. Svaki harmonik ranga N idealna je sinusoida frekvencije N·f. Harmonici imaju razliĉite amplitude (s rastućim N, amplituda naglo opada). U svakom je sluĉaju prisutan osnovni harmonik (N = 1, f = 50 Hz), kojem je amplituda najviša.

Slika 3. Zbir osnovnog i trećeg harmonika Red harmonika (harmonijski broj) je odnos frekvencije n-tog harmonika fn i frekvencije osnovne (fundamentalne) komponente f1.

8


Tabela 1. Grupe harmonika u ovisnosti o redu harmonika

Spektar harmonika: Spektar harmonika je raspodjela amplituda razliĉitih harmonika u funkciji reda harmonika. Ĉesto se spektar harmonika daje pregledno u obliku histograma.

Slika 4. Histogram opadanja amplitude sa porastom reda harmonika Sa histograma moţemo vidjeti da amplituda harmonika opada sa porastom reda harmonika. Prema standardima za red harmonika n > 40, amplituda harmonika se zanemaruje.

5. IZVORI VIŠIH HARMONIKA Izvore viših harmonika predstavljaju sljedeći ureĊaji:  Prekidaĉke napojne jedinice  Regulisani elektromotorni pogoni  Elektronske prigušnice fluorescentne cijevi 9

Utjecaj viših harmonika u napojnoj mreţi i njihovo potiskivanje      

Besprekidna napajanja Energetski ispravljaĉi i pretvaraĉi Transformatori sa nelinearnim magnećenjem Elektroluĉne peći Indukcione peći Aparati za elektroluĉno zavarivanje

Valni oblici nekih od pomenutih ureĊaja prikazani su na sljedećim graficima:

Slika 5. Valni oblici struje: a) magnećenja transformatora, b) hladnjaka zamrzivaĉa, c) klima ureĊaja, d) jednofaznog pretvaraĉa sa sklopnim naĉinom rada, e) fluorescentne cijevi sa elektromagnetnom prigušnicom, d) fluorescentne cijevi sa elektronskom prigušnicom

6. FURIJEROV RED Francuski matematiĉar Jean Baptiste Joseph Fourier (1768. -1830.) još je u prvoj polovici devetnaestog stoljeća u svojem djelu Analitiĉka teorija topline (1822.) otkrio da se svaka periodiĉka funkcija moţe prikazati trigonometrijskim redom koji se naziva Fourieriov red, ĉiji su sastavnice - harmonici koji imaju svoju amplitudu, frekvenciju i fazni pomak. Svaka periodiĉka funkcija odnosno, svaki valni oblik koji se periodiĉki ponavlja u vremenu, moţe se rastaviti na osnovni harmonik s istom frekvencijom kao i promatrana funkcija te na više harmonike, ĉija je frekvencija cjelobrojni višekratnik osnovne frekvencije. Zbog sloţenosti 10

Utjecaj viših harmonika u napojnoj mreţi i njihovo potiskivanje talasa koji se formira uslijed djelovanja harmonika, analizu istog je veoma teško izvršiti. Jedan od osnovnih i najprimjenjivanijih naĉina je predstavljanje funkcije furijerovim redom. Fourierov red rastavlja periodiĉnu funkciju u sumu jednostavnih oscilatornih funkcija, to jest, u sinuse i kosinuse. Bilo koji periodiĉni talasni oblik y(t), nepravilan ili izobliĉen, moţe se predstaviti matematiĉkim redom – FURIJEOVIM REDOM u formi:

Slika 6. Opći oblik Furijerovog reda Primjeri talasnih oblika koji nastaju na izlazu iz potrošaĉa, izobliĉeni talasi, te njihov razvoj u Furijerov red:

11


Slika 7. Razvoj nekih talasnih oblika u Furijerov red Fourierov red je jedan od najvaţnijih alata za rješavanje obiĉnih i parcijalnih diferencijalnih jednadţbi. Teorija Fourierovog reda je relativno komplicirana, ali zato je njegova primjena veoma jednostavna. Fourierov red je općenitiji od Taylorovog reda zato jer se mnoge diskontinuirane periodiĉke funkcije koje su od velikog praktiĉnog interesa (a ne mogu se razviti u Taylorov red), mogu razviti u Fourierov red.

7. ISPRAVLJAĈI Jedan od osnovnih naĉina eliminisanja harmonika je upotrebom ispravljaĉa, u narednom dijelu rada biti će predstavljeni neki od najĉešće korištenih ispravljaĉa. 7.1. POLUVALNI UPRAVLJAĈ Poluvalni ispravljaĉ je sklop koji se sluţi za propuštanje samo jedne poluperiode izmjeniĉnog napona. Tipiĉan predstavnik poluvalnih ispravljaĉa je samo jedna dioda spojena serijski s trošilom. Budući da propušta samo jednu poluperiodu ulaznog izmjeniĉnog napona, uĉinkovitost ovakvog sklopa je manje od 50%.

12

Utjecaj viših harmonika u napojnoj mreţi i njihovo potiskivanje Slika 8. Poluvalni ispravljaĉ 7.2. PUNOVALNI ISPRAVLJAĈ Punovalni ispravljaĉ moţe biti realiziran s dvije diode i transformatorom s dva sekundarna namotaja. Prilikom pozitivne poluperiode, na gornjem namotu je takoĊer pozitivna poluperioda, pa vodi dioda D1, dok u drugom sluĉaju, kada je negativna poluperioda, voditi će dioda D2. Tako se osigurava punovalno ispravljanje izmjeniĉnog napona.

Slika 9. Punovalni ispravljaĉ Grecov (Greatz) spoj predstavlja jedan od najzastupljenijih ispravljaĉa. Za raliku od ispravljaĉa sa dvije diode, Grecov spoj ne koristi specijalni transformator sa tri izvoda. Pri pozitivnom poluperiodi, diode D1 i D3 su direktno polarizirane, dok su diode D2 i D4 inverzno polarizirane. Strujni krug se zatvara kroz diodu D1, preko potrošaĉa i kroz diodu D3. Pri negativnoj poluperiodi diode D2 i D4 su spojene direktno, a diode D1 i D3 inverzno.

Slika 10. Punovalni ispravljaĉ u Grecovom spoju Za razliku od ispravljaĉa sa dvije diode, Grecov spoj je jeftiniji. Moguće je dobiti ispeglan napon na izlazu ukoliko se paralelno potrošaĉu doda kondenzator. Njegova najveća mana je pad napona na diodama (0,7 V po diodi).

13


Slika 11. Grecov spoj 7.3. M-FAZNI ISPRAVLJAĈ

Slika 12.

8. UKUPNO HARMONIJSKO IZOBLIĈENJE THD (Total Harmonic Distortion), ili ukupno harmonijsko izobliĉenje (ili samo distorzija, D), sluţi za kvantitativno izraţavanje termiĉkih efekata viših harmonijskih komponenti (svi harmonici osim osnovnog). Predstavlja mjeru bliskosti stvarnog talasnog oblika signala i njegovog osnovnog harmonika. Ima opću namjeni u priliĉno se ĉesto spominu u standardima. Ĉesto se koristi kako bi se ocijenila kvaliteta elektriĉne energije. Ukupno harmonijsko izobliĉenje se moţe izraĉunati na dva naĉina, odnosno na osnovu dvije definicije. Jedna definicija uzima u obzir odnos svih viših harmonika i osnovnog harmonika, dok druga definicija THD predstavlja kao odnos svih viših harmonika i ukupne efektivne vrijednosti. Standard IEC 61000-2-2 definiše ukupno harmonijsko izobliĉenje na sljedeći naĉin: 14

Utjecaj viših harmonika u napojnoj mreţi i njihovo potiskivanje √∑

(15) Po ovoj definiciji D moţe imati vrlo velike vrijednosti (

1).

Ukoliko je potrebno da se vrijednost ukupnog harmonijskog izobliĉenja normalizuje (0 < D < 1), za D se koristi sljedeća definicija: √∑

(16)

√∑

Prednost ovog indeksa je ta što je ĉest u upotrebi, široko rasprostranjen i poznat, lako se izraĉunava i vrijednosti su mu standardizovane u nacionalnim standardima. Nedostaci su mu što ne "ubrzava" sa frekvencijom, tj. iz njega se ne moţe zakljuĉiti u kojem frekventnom opsegu leţe prisutni harmonici, što će se vidjeti iz primjera koji slijedi, te što se iz njega ne vidi mogući uticaj signala na TK vodove (interferencija). Razlikuju se simetriĉni THD (Balanced THD), koji se raĉuna na osnovu direktnih i inverznih komponenti struja/napona, i nulti THD (Residual THD), koji se raĉuna na osnovu nultih komponenti. Nulti THD je mnogo štetniji od simetriĉnog jer kod njega ne postoji poništavanje po fazama. Treba obratiti paţnju da se THD moţe izraĉunati na slijedeći naĉin: √

(17) gdje su: - efektivna vrijednost signala i - efektivna vrijednost prvog harmonika signala. Za interharmonike i subharmonike moţemo definisati totalno interharmonijsko, odnosno subharmonijsko izobliĉenje (TIHD, TSHD): √∑

(18)

√∑

(19)

9. UĈINCI VIŠIH HARMONIKA Harmonici struje i napona superponirani na osnovni harmonik imaju sloţeni utjecaj na opremu i ureĊaje koji su povezani u napojnoj mreţi. Negativan uticaj ovih viših harmonika zavisi od tipa opterećenja i obuhvata:  

trenutne efekte dugotrajne efekte (posljedica grijanja) 15

Utjecaj viših harmonika u napojnoj mreţi i njihovo potiskivanje 9.1. TRENUTNI EFEKTI VIŠIH HARMONIKA 

Harmonici napona mogu remetiti rad kontrolera koji se koriste u upravljaĉkim elektronskim sistemima (na primjer poremećaj sinronizacije tiristorskih pretvaraĉa)



Harmonici mogu prouzrokovati dodatne greške u brojilima sa obrtnim diskom (na primjer brojilo klase taĉnosti 2 će povećati grešku za 0.3% usljed 5-tog harmonika u struji i naponu, sadrţaja 5%)



MTK ureĊaji daljinske kontrole u distributivnim preduzećima mogu biti znaĉajno ometani prisustvom viših harmonika u mreţi



Vibracije i šum  Elektrodinamiĉke sile proizvedene trenutnim vrijednostima struja (sa visokim harmonijskim sadrţajem) mogu izazvati buku i vibracije, odnosno tzv. akustički šum. Naroĉito se ovo odnosi na elektromagnetne ureĊaje (transformatori, elektriĉne mašine, reaktori,…)  Pulsirajući mehaniĉki obrtni momenat usljed harmonika struja, odnosno harmonika obrtnih polja mogu proizvesti vibracije u obrtnim mašinama



Interferenca komunikacionih i kontrolnih kola Poremećaj se primjećuje kada se komunikaciona i upravljaĉka kola nalaze na strani izobliĉenog mreţnog napajanja. Parametri koji se moraju uzeti u obzir ukljuĉuju duţinu paralelnih kola, meĊusobno rastojanje izmeĊu njih, uĉestanosti viših harmonika i sl. Stepen sprege raste sa povećenjem uĉestanosti odnosno sadrţaja harmonika

9.2. DUGOTRAJNI EFEKTI VIŠIH HARMONIKA Pored mehaniĉkog zamora i vibracija jedan o dugotrajnih efekata koji ima znaĉajan uticaj je grijanje. Kada se govori o termiĉkim efektima misli se na:  grijanje kondenzatora  dodatne gubitke u obrtnim mašinama i transformatorima  grijanje kablova i ostale opreme Grijanje kondenzatora je posljdica dva efekta: gubitaka uslijed provodnosti i dielektriĉnog histerezisa. U prvoj aproksimaciji proporcionalno je kvadratu efektivne vrednosti struje. Kondenzatori su jako osetljivi na preopterećenje, kako zbog prevelike osnovne harmonijske komponente, tako i zbog prisustva viših harmonika napona. Preveliko grijanje moţe dovesti do dielektriĉnog proboja. U nastavku rada su dati utjecaji posebno na svaki elemenat sistema ukljuĉujući i efekte grijanja na svakog od njih. Uopšteno govoreći, sva elektriĉna oprema (elektriĉni razvodni ormani) koja je pod dejstvom naponskih harmonika, a takoĊe i strujnih ( koji su posljedica naponskih), je izloţena porastu energije gubitaka. Ova energija mora biti redukovana ili ĉak potpuno smanjena.

16

Utjecaj viših harmonika u napojnoj mreţi i njihovo potiskivanje Tako na primjer kondenzator za kompenzaciju reaktivne energije treba da bude predimenzionisan oko 1.3 puta, ali ovaj faktor ne uzima u obzir povećano zagrevanje u provodnicima usled površinskog (skin) efekta. 9.3. UĈINCI STRUJNOG IZOBLIĈENJA Nelinearna opterećenja uzrokuju izobliĉenje struje. Viši harmonici teku kroz nelinearne terete i kompezacione kondenzatore. Izobliĉenje struje je jednoko uzduţ napojnog voda izmeĊu dva ĉvora. Uĉinci strujnog izobliĉenja na distributivni sistem mogu biti vrlo znaĉajni zbog povećanja ukupne efektivne struje kroz sistem, koji je strujno ograniĉen. Ako je transformator opterećen višim strujnim harmonicima, on se ne moţe opteretit nazivnom snagom, koja je definisana za osnovni harmonik. Ipak, glavna negativna karakteristika strujnog izobliĉenja je njegov uticaj na stvaranje naponskog izobliĉenja. 9.4. UĈINCI NAPONSKOG IZOBLIĈENJA Naponska izobliĉenja takoĊer utiĉu na distributivni sistem i promjenljiva su duţ naponskog voda. Vrlo visoka naponska izobliĉenja mogu uzrokovati višestruke prolaze naponske sinusoide kroz nulu. Ovo moţe uzrokovati pogrešku na ureĊajima i opremi kod koje se prolaz napona kroz nulu uzima kao referentna veliĉina za vremensku obradu pojedinih sklopova. Naponska izobliĉenja imaju vrlo mali uticaj na rad nelinearnih potrošaĉa spojenih izmeĊu faze i nule ili izmeĊu faza. S druge strane, trofazni motori su vrlo osjetljivi na moguća izobliĉenja napona. Naprimjer, peti harmonik ima negativan redosliejd faza i proizvodi negativan moment kod motora, što znaĉi da vrti motor u suprotnu stranu. Zbog toga se zahtjeva jaĉanje osnovnog harmonika s ciljem savladavanja negativnog momenta, što dodatno zagrijava motor i uzrokuje gubitke. Stoga je najvaţniji razlog za potiskivanje petog harmonika u industrijskim trofaznim sistemima napajanja upravo negativan uticaj na trofazne motore. 9.5. UĈINCI VIŠIH HARMONIKA NA MOTORE Komponente viših frekvencija napona uzrokuju dodatne gubitke motora u ţeljezu i u bakru. Primjenjeni nesinusoidalni napon na motor rezultira harmonijskim strujama kroz namote motora. Kao što je poznato, radni gubici u namotu ovise o kvadratu efektivne vrijednosti struje. Zbog skin efekta, stvarni gubici će biti veći od proraĉunatih. Osim gubitaka, drugi nepovoljan uticaj je pojava vibracija zbog interakcije pozitivnih i negativnih sekvenci magnetnog polja. Poklapanje ovih oscilacija i prirodne mehaniĉke frekvencije utiĉe na povećavanje mehaniĉke vibracije što za posljedicu moţe imati fiziĉko oštećenje motora. Ove analize je potrebno provesti posebno kod motora većih snaga kod kojih se upravljanje vrši pomoću frekvencijskih pretvaraĉa. 9.6. UĈINCI VIŠIH HARMONIKA NA TRANSFORMATORE Negativni uĉinci viših harmonika struja i napona na transformatore ĉesto prolaze i neopaţeno, ali samo dok ne doĊe do kvara. U nekim sluĉajevima transformatori su radili zadovolajvajuće u duţem vremenskom periodu da bi u relativno kratkom vremenu nakon promjene opterećenja došlo do kvara. Ove promjene opterećenja mogu biti frekvencijski

17

Utjecaj viših harmonika u napojnoj mreţi i njihovo potiskivanje pretvaraĉi, kondenzatorske baterije, elektroluĉne peći i drugi elektroniĉki potrošaĉi kao što su informatiĉka oprema i moderni klima ureĊaji. 9.7. UĈINCI VIŠIH HARMONIKA NA KONDENZATORSKE BATERIJE Mnoge industrijske i komercijalna elektroenergetske mreţe imaju ugraĊene kondenzatorske baterije koje sluţe za popravak faktora snage. Kondenzatori su projektirani tako da izdrţe 110% napona i 135% reaktivne snage. MeĊutim, u mreţama gdje su prisutni viši naponski i strujni harmonici moţe doći vrijednosti napona i reaktivne snage premašene dozvoljene i tako dolazi do kvara na baterijama. Kondenzatorske baterije imaju vrlo nisku impedansu za više harmonike koji se zatvaraju kroz njih, što dovodi do preopterećenja. TakoĊer, one s induktivitetima transformatora i mreţe stvaraju paralelnu rezonansu. Ako je ta paralelna rezonansa na frekvenciji višeg harmonika struje u mreţi, tada dolazi do pojaĉanja tog harmonika, visokih amplituda struja i napona te oštećenja kondenzatora i ostale opreme u sistemu. 9.8. UĈINCI VIŠIH HARMONIKA NA KABLOVE Gubici u kablovima se povećevaju uslijed harmonika struje, što dovodi do njihovog dodatnog zagrijavanja. Dodatno zagrijavanje je prouzrokovano mnoštvom uticaja: -

povećanje RMS vrednosti struje za istu snagu potrošnje, porast otpornosti uslijed površinskog efekta, porast dielektriĉnih gubitaka u izolaciji sa porastom uĉestalosti (ako je kabl podvrgnut naponskom distorzijom) i blizinski efekat provodnika u odnosu na metalni kablovski plašt uzemljen na oba kraja.

Proraĉun gubitaka je obuhvaćen standardom IEC 60287.

10. MJERENJE SADRŢAJA HARMONIKA Harmonijska distorzija struja i napona se mjeri korištenjem spektralnih analizatora, koji obezbjeĊuju mjerenje amplitude svake harmonijske komponente. Veoma bitno je koristiti strujne i naponske senzore koji moraju imati zahtijevanu taĉnost (klasu taĉnosti), kao i dovoljno širok frekventni propusni opseg. Efektivna vrijednost izobliĉene struje se moţe ocijeniti, odnosno izmjeriti na tri naĉina:   

Mijerni elementi koji mjere trenutnu, stvarnu, vrijednost struje i stvarnu vrijednost RMS, Rekonstrukcijom spektra koji je dobijen spektralnom analizom i Estimacijom na osciloskopskom displeju. Spektralni analizatori su dati na sljedećim slikama, kao i prikaz odgovarajuće opreme.

18


Slika 13. Monofazno mjerenje

Slika 14. Trofazno mjerenje

Slika 15. Oprema Pri ovakvoj analizi veoma je bitno ispravno mjerenje trenutne vrijednosti struje. To se vrši pomoću LED modula. Precizno mjerenje trenutne vrijednosti struje u širokom frekventnom opsegu (mjerenje veoma brzih pojava na nivou 100-200 ns) se ostvaruje strujnim LEM modulima. Glavni dio davaĉa predstavlja Holov senzor koji se stavlja u procjep torusa kroz koji se provlaĉi provodnik ĉija se struja mijeri. Senzor se napaja s eksternim naponom (tipiĉno ±12 V DC), a na izlazu daje napon koji je proporcionalan indukciji u procijepu odnosno vrijednosti primarne struje. Signal sa senzora se pojaĉava i vodi na izlazni tranzistorski stepen koji se pobuĊuje u ritmu napona na senzoru. Izlazni tranzistori ustvari napajaju namotaj na torusu tako da kompenzuju struju primara te je magnetno polje u vazdušnom procjepu jednako nuli. Na otporniku se mjeri ova kompenzujuća struja. Prednost ovog davaĉa sa povratnom spregom je što nema problema vezanih za zasićenje magnetnog materijala torusa i što je propusni opseg davaĉa od DC do par stotina MHz (tipiĉno do 200MHz). Proticanjem kompenzacione struje kroz mijerni otpornik dobija se ţeljeni napon na izlazu davaĉa.

19


Slika 16. LEM senzor

11. PRIHVATLJIVE GRANICE HARMONIKA, SVRHA „ĈIŠĆENJA“ NAPOJNE MREŢE    

Sinhrone mašine: dozvoljeno izobliĉenje struje statora 1.3….1.4%; Asinhrone mašine: dozvoljeno izobliĉenje struje statora 1.5 …..3.5%; Kablovi: dozvoljeno izobliĉenje jezgro-plašt, naponska distorzija do 10%; Energetski kondenzatori: distorzija struje 83%, pri preopterećenju od 30% (1.3 puta); prekoraĉenje napona moţe dostići 10%.

Tabela 2. Dozvoljenje harmonijske komponente

20


Tabela 3. Limiti harmonijske emisije po IEC61000-3-2 i IEC 555-2 KLASA A: simetriĉni trofazni prijemnici, dimeri za svetiljke, audio oprema KLASA B: portabilni alati KLASA C: oprema za osvetljenje KLASA D: PC raĉunari, PC monitori, TV prijemnici do 600W Redukcijom odnosno ĉišćenjem napojne mreţe postiţemo veću efikasnost napojne mreţe a to ukljuĉuje:      

niţi gubici na mreţnoj impedansi, manje izobliĉenje napona (cross-coupling), veća raspoloţiva snaga izvora, veća efikasnost prenosnih puteva, bolji kvalitet elektriĉne energije i zadovoljenje propisa EMC.

12.METODE ZA ELIMINACIJU VIŠIH HARMONIKA I NJIHOVO POTISKIVANJE Budući da su u prethodnom dijelu navedeni mnogobrojni negativni utjecaji viših harmonika na napojnu mreţu te naĉini na koji moţemo mjeriti iste, neophodno ih je potisnuti odnosno eliminisati. Osnovni naĉini eliminisanja harmonika u napojnoj mreţi su:   

korištenje pasivnih komponenti, korištenje aktivnih komponenti i napredan naĉin: aktivna korekcija faktora snage.

12.1. PASIVNE METODE ZA SUZBIJANJE VIŠIH HARMONIKA 21


Ova metoda se bazira na korištenju pasivnih elemenata (prigušnica i kondenzatora). U napajanjima se moţe ostvariti na više naĉina:      

postavljanjem prigušnice na AC strani (ka mreţi), postavljanjem prigušnice na DC strani (na izlazu ispravljaĉa), korišćenjem serijski rezonantnog LC kola na AC strani (band-pass filter), korišćenjem paralelnog LC kola na AC strani (band-stop filter), korišćenjem harmonijskih filtera na AC strani (trap filter) i korišćenjem LCD filtera na DC strani.

Prigušnica na AC strani (na strani mreţe):

Slika 17. Eliminiranje viših harmonika sa prigušnicom na strani mreţe Prigušnica na DC strani (na izlazu diodnog ispravljaĉa): 22


Slika 18. Eliminiranje viših harmonika sa prigušnicom na strani ispravljaĉa BAND-PASS serijski LC filter na AC strani (na strani meţe).

23

Utjecaj viših harmonika u napojnoj mreţi i njihovo potiskivanje Slika 19. Eliminisanje viših harmonika sa serijskim filterom BAND-STOP paralelni LC filter na AC strani:

Slika 20. Eliminisanje viših harmonika sa paralelnim filterom Harmonijski „TRAP“ filter na AC strani:

24


Slika 21. Eliminisanje viših harmonika sa 'TRAP' filterom

LCD (L dioda C) filter na AC strani:

25


Slika 22. Eliminisanje viših harmonika sa LCD filterom Problemi koji se javljaju kod pasivne redukcije: • • • • • •

korištenje velikih i glomaznih pasivnih elemenata, cijena opreme, znaĉajna disipacija u pasivnim elementima, problemi korištenja prigušnica na DC strani (zasićenje, DC komponenta fluksa itd.), smanjenje DC napona na izlazu ispravljaĉa (koji dalje napaja ostale sklopove: invertor, potrošaĉ itd.) i nemogućnost potpunog ispravljanja kod nelinearnih tereta.

Moţe se vršiti pojedinaĉna, grupna, centralna i mješovita kompenzacija. Osnovna prednost pasivne kompenzacije je jednostavnost izvedbe, pouzdanost i robusnost. TakoĊer, dobra strana je ĉinjenica da nije izvor elektromagnetnih smetnji, te moţe posluţiti kao filter za iste. 12.2. AKTIVNA KOREKCIJA FAKTORA SNAGE Kod aktivnih naĉina korekcije faktora snage koriste se poluvodiĉi. Princip se bazira na korištenju pretvaraĉa i kontrolnih krugova, te je moguće kompenzirati harmonijsku distorziju, kao i pomak u valnom obliku ulazne struje. Iako su znatno kompleksniji od pasivnih, tu kompleksnost aktivnih PFC krugova je postaje sve lakše kontrolirati zbog specijalnih kontolnih integriranih krugova. Aktivni krugovi rade na frekvencijama većim od frekvencije mreţe (50-60 Hz) i tako omogućuju korekciju unutar svakog individualnog perioda, tako da se moguće PF ispraviti ĉak i do 0.99.

26


Slika 23. Korekcija faktora snage

Jednostepeni PFC krugovi: Jednostepeni PFC krugovi objedinjuju korekciju valnog oblika ulazne struje i DC-DC pretvorbu u jednom stupnju. To omogućuje manji broj dijelova samog kruga, te niţu konaĉnu cijenu. Ovim pristupom je moguće postići PF>0.75 i THD<80%. Najveći nedostatak je promjenjivost izlaznog DC napona koji ovisi o mreţnom naponu i teretu. Ovakve izvedbe se obiĉno koriste za <200W primjene.

Slika 24. Jednostepeni PFC krug 27


Dvostepeni PFC krugovi: Dvostepeni PFC krugovi (slika 25) imaju dva odvojena stepena – jedan za PFC, a drugi za DC-DC pretvorbu. Većina ih ukljuĉuje nekakav oblik boost DC-DC pretvaraĉa što rezultira prednostima u vidu visokog PFC (tipiĉno >0.98), niskim THDom (tipiĉno <5%) i mogućnost rada na širokom AC podruĉju (automatska prilagodba). Nedostaci su veća cijena i kompleksnost aktivnog dijela kruga – tipiĉan pad efikasnosti od 5-10%, te veće dimenzije kako bi disipacija snage i generirane EM smetnje bile manje. Najĉešće korištena izvedba kod >250W primjena.

Slika 25. Dvostepeni PFC krug Objedinjući jednostepeni PFC krugovi: Objedinjujući jednostepeni PFC krugovi (slika 26) (eng. Single stage bulk) predstavljaju nadolazeću tehnologiji. Objedinjuju odliku jednostupanjskih i pasivnih PFC krugova – pouzdanosti i nisku cijenu-po-vatu, s odlikom dvostupanjskih PFC krugova – viši PF/niţi THD iznos. Ovakve izvedbe su tipiĉno ograniĉene na primjene gdje je potrebna mala snaga (<150W). Izvedbe se odlikuju visokom efikasnošću (tipiĉno 85-95%), podosta niskim THDom (tipiĉno <10%), te se sastoje od malog broja komponenti. Nedostaci su lošija regulacija izlaza, valovitost, prijelazne pojave.

Slika 26. Objedinjujući jednostepeni PFC krug

28


PRIMJER: Na slici 27. dat je stvarni prikaz ulazne struje, bez eliminacije harmonika. Faktor snage je jako loš.

Slika 27. Ulazna struja i napon, struja 10A/c, napon 100V/c Na slici 28. je prikazana ulazna struja napajanja sa prigušnicom postavljenom prema mreţnom napajanju, faktor snage je povećan i iznosi 0.75.

Slika 28. Ulazna struja i napon s prigušnicom, struja 5A/c, napon 200V/c Na slici 29. je dat prikaz ulazne struje sa ispravljaĉem, mreţa vidi ispravljaĉ kao ohmsku otpornost, faktor snage u ovom sluĉaju iznosi 1, kvalitetni talasni oblik struje.

Slika 29. Ulazna struja i napon s ispravljaĉem, struja 1 A/c, napon 100V/c 29


13. ZAKLJUĈAK Viši harmonici povećavaju ukupne gubitke u elektroenergetskoj mreţi, uzrokujući smanjivanje efikasnosti sistema pa se primarna oprema mora dimenzionisati za veće sange od nazivnih. Danas, u vrijeme liberalizovanog trţišta elektriĉne energije, kada se elektriĉna energija smatra robom, viši harmonici utiĉu na smanjenje kvalitete elektriĉne energije. Moderni ureĊaji koji se sve više koriste u savremenom društvu, zbog ušteda na energiji, gotovo uvijek ukljuĉuju pretvaraĉe koji svojim izvedbama predstavljaju nelinearne potrošaĉe. Ova nelinearnost generiše više harmonike koji se moraju analizirati i vrednovati. Stoga se problem viših harmonika u elektroenergetskom sistemu ne smije zanemarivati. Eliminacijom viših harmonika postiţu se pozitivni efekti u vidu povećanja efikasnosti i redukcija 'zagaĊenja' same napojne mreţe. U većini zemalja u svijetu su usvojeni brojni standardi koji regulišu sadrţaj viših harmonika u mreţi: IEC 555, IEC 61000, EN6055, IEEE 519 itd.

11. LITERATURA [1] „Korekcija faktora snage“, Seminarski rad, Izvori napajanja elektroniĉkih ureĊaja, Ivan Cinĉić, Krunoslav Droupĉić, FER, Zagreb, januar, 2013.

30

Utjecaj Viših Harmonika u Napojnoj Mreži i Njihovo Potiskivanje

Recommend Documents