Przyczyny powstawania I skutki działania

JakoϾ zasilania - poradnik
Harmoniczne
Przyczyny powstawania i skutki dzia³ania
3.1
80
60
40
20
0
1
3
5
7
9
11
13
15
17
Harmonic number
Degrees
Harmoniczne
Current (A)
% Magnitude
100
Harmoniczne
Rzeczywista wartoϾ skuteczna (RMS) - jedyny prawdziwy wyznacznik
Towarzystwo Rozwoju Miedzi
Marzec 2001
Polskie Centrum Promocji Miedzi S.A. (PCPM S.A.)
Polskie Centrum Promocji Miedzi S.A. jest organizacj¹ non-profit, finansowan¹ przez dostawców miedzi oraz producentów pragn¹cych zachêciæ odbiorców do stosowania miedzi i jej stopów oraz promuj¹cych ich prawid³owe i efektywne zastosowanie. Dzia³alnoœæ Centrum obejmuje zapewnienie technicznego doradztwa i informacji tym, którzy s¹ zainteresowani wykorzystaniem miedzi w jej wszystkich aspektach.
Centrum równie¿ zapewnia ³¹cznoœæ miêdzy jednostkami badawczymi a przemys³em wykorzystuj¹cym miedŸ w produkcji oraz utrzymuje
blisk¹ ³¹cznoœæ z innymi organizacjami zajmuj¹cymi siê rozwojem miedzi na ca³ym œwiecie.
Europejski Instytut Miedzi (ECI)
Europejski Instytut Miedzi jest spó³k¹ joint venture Miêdzynarodowego Stowarzyszenia na Rzecz Miedzi (ICA) i IWCC. ECI, dziêki swoim
cz³onkom, zajmuje siê w imieniu najwiêkszych producentów miedzi na œwiecie i czo³owych europejskich producentów - promocj¹ miedzi w
Europie. Powsta³y w styczniu 1996 roku Europejski Instytut Miedzi jest wspierany dziêki sieci dziesiêciu Towarzystw Rozwoju Miedzi
(CDA) w krajach Beneluksu, we Francji, w Niemczech, Grecji, na Wêgrzech, we W³oszech, w Polsce, Skandynawii,Hiszpanii i Wielkiej Brytanii. Towarzystwo rozwija swoj¹ dzia³alnoœæ podjêt¹ przez CDA powsta³¹ w 1959 roku oraz dziêki INCRA (Miêdzynarodowemu Towarzystwu Badañ Miedzi) powsta³emu w 1961 roku.
Zrzeczenie siê odpowiedzialnoœci
Polskie Centrum Promocji Miedzi S.A. oraz Europejski Instytut Miedzi zrzekaj¹ siê wszelkiej odpowiedzialnoœci za bezpoœrednie b¹dŸ poœrednie skutki jak równie¿ nieprzewidziane szkody, które mog¹ byæ poniesione w wyniku u¿ycia informacji lub nieumiejêtnego u¿ycia informacji lub danych zawartych w niniejszej publikacji.
Copyright© Polskie Centrum Promocji Miedzi S.A.
Reprodukcja materia³u zawartego w niniejszej publikacji jest legalna pod warunkiem reprodukcji w ca³oœci i podania jej Ÿród³a.
Polskie Centrum Promocji Miedzi S.A.
50-136 Wroc³aw
pl. 1 Maja 1-2
Polska
European Copper Institute
168 Avenue de Tervueren
B-1150 Brussels
Belgium
Tel:
Fax:
e-mail:
Website:
Tel:
Fax:
Email:
Website:
00 48 71 78 12 502
00 48 71 78 12 504
[email protected]
www.miedz.org.pl
00 32 2 777 70 70
00 32 2 777 70 79
[email protected]
www.eurocopper.org
Harmoniczne
Przyczyny powstawania i skutki dzialania harmonicznych
Ponizsza czesc poradnika omawia zródlo powstawania harmonicznych pradu i skutki, jakie one wywoluja w systemach elektrycznych. Metody redukcji harmonicznych sa
omówione w czesci "Rozwiazania problemów harmonicznych".
Czestotliwosci harmoniczne to calkowite
wielokrotnosci czestotliwosci podstawowej,
na przyklad dla skladowej podstawowej o
czestotliwosci 50Hz trzecia harmoniczna
wynosilaby 150Hz, a piata 250Hz. Rys. 1
przedstawia przebieg sinusoidalny skladowej
podstawowej z trzecia i piata harmoniczna.
Rys. 1. Sk³adowa podstawowa z trzeci¹ i pi¹t¹ harmoniczn¹.
Rys. 2 przedstawia skladowa podstawowa z
70% trzeciej i 50% piatej harmonicznej. Nalezy zauwazyc, ze w praktyce przebieg wiekszosci odksztalconych przebiegów pradu jest
o wiele bardziej zlozony niz w tym przykladzie z o wiele wieksza iloscia harmonicznych i bardziej zlozona zaleznoscia fazowa.
Ten ksztalt przebiegu wyraznie rózni sie od
ksztaltu sinusoidy, a to oznacza, ze wskazania standardowych urzadzen pomiarowych,
takich jak kalibrowany miernik wielofunkcyjny do pomiarów sredniej wartosci skutecznej (RMS), beda niedokladne. Nalezy
równiez zauwazyc, ze jest szesc punktów
przeciecia osi czasu w pojedynczym cyklu
zamiast dwóch, a zatem kazdy przyrzad wykorzystujacy przejscie przez zero jako odniesienie bedzie funkcjonowal nieprawidlowo.
Ksztalt przebiegu obejmuje niepodstawowe
czestotliwosci i musi byc prawidlowo analizowany.
Rys. 2. Zniekszta³cony przebieg fali pr¹du.
Mówiac o harmonicznych w instalacjach zasilania trzeba podkreslic, ze harmoniczne pradów sa najwiekszym problemem, poniewaz harmoniczne powstaja jako prady i to one wywoluja wiekszosc negatywnych skutków. Nie mozna
wyciagnac zadnych przydatnych wniosków bez znajomosci spektrum harmonicznych pradu, ale latwo znalezc dane
dotyczace lacznego odksztalcenia harmonicznego (THD). Podczas rozprzestrzeniania sie harmonicznych w systemie
dystrybucji mocy, to znaczy do obwodów odgaleznych niezwiazanych z generowanymi harmonicznymi, skladowe
harmoniczne rozprzestrzeniaja sie jako harmoniczne napiecia. Wazne jest, aby mierzyc zarówno wartosc napiecia jak i
pradu i podawac te wartosci wyraznie zaznaczajac wartosc napiecia lub wartosc pradu. Dla wygody zmierzona wartosc
znieksztalcenia pradu jest oznaczana sufiksem 'I', na przyklad 35% THDI, a wartosc odksztalcenia napiecia sufiksem
'V', na przyklad 4% THDV.
Harmoniczne pradu zawsze byly obecne w systemach zasilania. Najpierw generowaly je prostowniki rteciowe stosowane do zamiany pradu przemiennego na prad staly przy elektryfikacji kolei, oraz w napedach bezstopniowych w
przemysle. Ostatnio rodzaje oraz ilosc urzadzen wywolujacych harmoniczne wzrosla tak bardzo, a nalezy oczekiwac
dalszego ich wzrostu, ze konstruktorzy i specjalisci musza obecnie bardzo dokladnie badac harmoniczne i ich skutki
uboczne.
Ponizsza czesc poradnika opisuje sposób i przyczyny powstawania harmonicznych, jaki jest ich wplyw na systemy
elektryczne i urzadzenia oraz jak zminimalizowac ten wplyw.
1
Przyczyny powstawania i skutki dzia³ania
Urzadzenia generujace harmoniczne
Wszystkie obciazenia nieliniowe wywoluja prady obciazone harmonicznymi. Obejmuja one obciazenia jednofazowe, na
przyklad:
♦ zasilacze z przetwarzaniem energii (SMPS)
♦ stateczniki
♦ male systemy zasilania bezprzerwowego (UPS)
Obciazenia trójfazowe, na przyklad:
♦ napedy bezstopniowe
♦ duze systemy zasilania bezprzerwowego (UPS)
Obciazenia jednofazowe
Zasilacze z przetwarzaniem energii (SMPS)
Wiekszosc nowoczesnych urzadzen elektronicznych stosuje zasilacze z przetwarzaniem energii tzw. impulsowe
(SMPS). Róznia sie one od starszych urzadzen tym, ze klasyczny transformator obnizajacy napiecie i prostownik sa
zastapione przez sterowane bezposrednio prostowanie pradu zasilajacego i ladowanie kondensatora zbiorczego, z którego jest pobierany prad staly przez odbiornik metoda odpowiednia do wymaganego napiecia wyjsciowego i pradu.
Zaleta - dla producentów sprzetu - jest to, ze
rozmiary, koszty i waga sa znacznie zmniejszone a generowana moc moze posiadac prawie kazdy wymagany wspólczynnik ksztaltu.
Wada - dla kazdego oprócz producentów
sprzetu - jest to, ze zamiast zasilania ciaglego
z sieci, zasilacz pobiera impulsy pradu zawierajace duze ilosci trzecich i wyzszych harmonicznych oraz skladowe wysokich czestotliwosci (patrz Rys. 3). Prosty filtr jest montowany na wejsciu zasilania, aby odprowadzic
skladowe wysokich czestotliwosci z przewodu roboczego i neutralnego do uziemienia,
ale nie wplywa to na prady harmoniczne plynace z powrotem do sieci. Wplyw pradów
uplywu tych filtrów omówiono w czesci 6.
Rys. 3. Spektrum harmoniczne typowego komputera osobistego (PC).
Jednofazowe systemy zasilania bezprzerwowego (UPS) wykazuja parametry bardzo podobne do zasilaczy z przetwarzaniem energii
(SMPS).
Przy jednostkach duzej mocy ostatnio stosuje sie tak zwane funkcje poprawiania wspólczynnika mocy, aby obciazenie
wygladalo jak obciazenie rezystancyjne a prad wejsciowy mial ksztalt sinusoidalny i byl w fazie z napieciem. Mozna to
osiagnac wykorzystujac prad wejsciowy jako przebieg o wysokiej czestotliwosci w ksztalcie trójkata, który jest wygladzany przez filtr do ksztaltu sinusoidalnego. To dodatkowe rozwiazanie nie jest jeszcze w pelni gotowe do zastosowania przy tanszych jednostkach, które stanowia wiekszosc obciazenia w instalacjach komercyjnych i przemyslowych.
Pozostaje niewiadoma, jakie problemy moga sie pojawic w przyszlosci przy zastosowaniu na szeroka skale takiego
rozwiazania.
Stateczniki
W ostatnich latach popularne stalo sie zastosowanie elektronicznych urzadzen stabilizujaco zaplonowych tzw. stateczników elektronicznych, wychodzac naprzeciw zadaniom lepszej efektywnosci energetycznej. Ogólnie mówiac sa one
niewiele bardziej sprawne niz najlepsze stateczniki magnetyczne i w rzeczywistosci ta lepsza sprawnosc przypisywana
jest temu, ze lampa jest bardziej wydajna, kiedy jest zasilana jest przy wyzszych czestotliwosciach, a nie samemu elektronicznemu statecznikowi. Glówna zaleta elektronicznych stateczników jest mozliwosc utrzymania wydajnosci swietlnej przez dluzszy okres przy uzyciu sterowania zwrotnego pradem – w praktyce w sposób zmniejszajacy efektywnosc
2
Przyczyny powstawania i skutki dzia³ania
energetyczna lampy z wiekiem. Duza ich
wada jest to, ze wytwarzaja harmoniczne w
pradzie wejsciowym. Istnieja tak zwane
lampy o poprawionym wspólczynniku
mocy o wyzszych parametrach znamionowych, które zmniejszaja problemy z harmonicznymi, ale kosztuja one znacznie
wiecej. Wspólczynnik mocy w mniejszych
jednostkach nie jest zwykle korygowany.
Rys. 4. Spektrum harmoniczne typowej kompaktowej lampy fluorescencyjnej
(CFL)
Obecnie sprzedawane kompaktowe lampy
fluorescencyjne tzw. swietlówki kompaktowe (CFL) zastepuja zarówki z zarnikiem
wolframowym. Miniaturowy statecznik
elektroniczny zamontowany w obudowie
steruje zasilaniem rurki fluorescencyjnej o
srednicy 8 milimetrów. Kompaktowe
lampy fluorescencyjne o mocy 11W odpowiadaja zarówkom o mocy 60W a ich okres
eksploatacji wynosi 8000 godzin. Spektrum
harmonicznych pradu jest przedstawione na
Rys. 4. Lampy te coraz czesciej zastepuja
tradycyjne zarówki w mieszkaniach, a
szczególnie w hotelach gdzie powazne problemy z harmonicznymi staja sie powszechne.
Obciazenia trójfazowe
Budowa sterowników napedów bezstopniowych, systemów zasilania bezprzerwowego (UPS) i przetwornic zwykle opiera
sie na mostku trójfazowym, zwanym równiez mostkiem 6-pulsowym ze wzgledu na
szesc pulsów w jednym okresie (jeden na
pólokres na faze) na wyjsciu pradu stalego.
Rys. 5 - Mostek trójfazowy (6-pulsowy)
Mostek 6-pulsowy wytwarza harmoniczne
6-go rzedu +/– 1, to znaczy o jeden rzad
wiecej lub mniej od wielokrotnosci 6. W
teorii wartosc kazdej harmonicznej jest
odwrotna wartoscia rzedu harmonicznej,
tak ze byloby 20% piatej harmonicznej i
9% jedenastej, itd.
Rys. 6 przedstawia typowe spektrum.
Zastosowanie mostka 12-pulsowego znacznie zmniejsza wartosc harmonicznych. Taki
skutek przynosi zastosowanie dwóch mostków 6-pulsowych zasilanych transformatorem z uzwojeniem gwiazda trójkat, tworzac
30-stopniowe przesuniecie fazowe miedzy
nimi.
Rys. 6. Spektrum harmoniczne typowego mostka 6-pulsowego
3
Harmoniczne 6-go rzedu sa teoretycznie
usuniete, ale w praktyce wielkosc ich redukcji zalezy od dopasowaniu przetworników i zwykle wynosi 20 - 50%. Harmoniczne 12-go rzedu pozostaja niezmienione.
Przyczyny powstawania i skutki dzia³ania
Redukcji ulega nie tylko caly prad harmoniczny, ale równiez harmoniczne wyzszego
rzedu, co sprawia, ze konstrukcja filtra jest
o wiele latwiejsza.
Producenci sprzetu czesto staraja sie zredukowac wielkosci pradów harmonicznych,
dodajac filtr lub szeregowe cewki indukcyjne. Doprowadzilo to do tego, ze producenci zaczeli twierdzic, ze ich sprzet spelnia standardy ‘G5/3’. Poniewaz G5/3 jest
standardem stosowanym przy calej instalacji, nie mozna stwierdzic, ze zostal spelniony bez znajomosci kazdego urzadzenia
w zakladzie.
Rys. 7. Mostek 12-pulsowy
Dalszy wzrost liczby pulsów do 24 uzyskany dzieki zastosowaniu dwóch równoleglych 12-pulsowych jednostek ze zmiana
fazy o 15 stopni zmniejsza laczny odksztalcenie harmoniczne do okolo 4,5%. To dodatkowo zwieksza koszt i takie dodatkowe
urzadzenie sterujace jest uzywane tylko w
razie koniecznosci spelnienia wymagan dostawcy energii.
Teoretyczne uzasadnienie
powstawania harmonicznych
Rys. 8. Spektrum harmoniczne typowego mostka 12-pulsowego.
W idealnym, bezzaklóceniowym systemie
zasilania prad i napiecie sa pozbawione zaklócen. W praktyce niesinusoidalne prady
powstaja, gdy plynacy prad nie odpowiada
liniowo przylozonemu napieciu. W prostym obwodzie zawierajacym tylko elementy liniowe - opór, indukcyjnosc i pojemnosc - plynacy prad jest proporcjonalny
do napiecia (o danej czestotliwosci) tak, ze
jesli stosuje sie napiecie sinusoidalne, poplynie prad sinusoidalny (patrz Rys. 9).
Przebieg obciazenia przedstawia zaleznosc
miedzy zastosowanym napieciem i pradem
przeplywajacym w odbiorniku; Rys. 9
przedstawia obciazenie liniowe. Warto zauwazyc, ze tam gdzie wystepuje element
czynny, nastapi przesuniecie fazowe miedzy napieciem a pradem; zmniejszony jest
wspólczynnik mocy, ale obwód pozostaje
dalej obwodem liniowym.
Rys. 10 przedstawia sytuacje gdzie obciazeniem jest prosty pelnookresowy prostownik i kondensator taki jak przy wlaczeniu zasilacza impulsowego (SMPS). W
takim przypadku prad plynie tylko wtedy,
gdy napiecie wejsciowe przekracza napiecie zgromadzone w kondensatorze zbiorczym to znaczy blisko najwyzszego punktu
sinusoidy napiecia, jak pokazuje ksztalt linii obciazenia.
Rys. 9. Kszta³t fali pr¹du w obci¹¿eniu liniowym.
4
Przyczyny powstawania i skutki dzia³ania
Redukcji ulega nie tylko caly prad harmoniczny, ale równiez harmoniczne wyzszego
rzedu, co sprawia, ze konstrukcja filtra jest
o wiele latwiejsza.
Producenci sprzetu czesto staraja sie zredukowac wielkosci pradów harmonicznych,
dodajac filtr lub szeregowe cewki indukcyjne. Doprowadzilo to do tego, ze producenci zaczeli twierdzic, ze ich sprzet spelnia standardy ‘G5/3’. Poniewaz G5/3 jest
standardem stosowanym przy calej instalacji, nie mozna stwierdzic, ze zostal spelniony bez znajomosci kazdego urzadzenia
w zakladzie.
Rys. 10. Kszta³t fali pr¹du w obci¹¿eniu nieliniowym.
Dalszy wzrost liczby pulsów do 24 uzyskany dzieki zastosowaniu dwóch równoleglych 12-pulsowych jednostek ze zmiana
fazy o 15 stopni zmniejsza laczny odksztalcenie harmoniczne do okolo 4,5%. To dodatkowo zwieksza koszt i takie dodatkowe
urzadzenie sterujace jest uzywane tylko w
razie koniecznosci spelnienia wymagan dostawcy energii.
Teoretyczne uzasadnienie
powstawania harmonicznych
W idealnym, bezzaklóceniowym systemie
zasilania prad i napiecie sa pozbawione zaklócen. W praktyce niesinusoidalne prady
powstaja, gdy plynacy prad nie odpowiada
liniowo przylozonemu napieciu. W prostym obwodzie zawierajacym tylko elementy liniowe - opór, indukcyjnosc i pojemnosc - plynacy prad jest proporcjonalny
do napiecia (o danej czestotliwosci) tak, ze
jesli stosuje sie napiecie sinusoidalne, poplynie prad sinusoidalny (patrz Rys. 9).
Przebieg obciazenia przedstawia zaleznosc
miedzy zastosowanym napieciem i pradem
przeplywajacym w odbiorniku; Rys. 9
przedstawia obciazenie liniowe. Warto zauwazyc, ze tam gdzie wystepuje element
czynny, nastapi przesuniecie fazowe miedzy napieciem a pradem; zmniejszony jest
wspólczynnik mocy, ale obwód pozostaje
dalej obwodem liniowym.
Rys. 11. Uk³ad zastêpczy obci¹¿enia nieliniowego.
Rys. 10 przedstawia sytuacje gdzie obciazeniem jest prosty pelnookresowy prostownik i kondensator taki jak przy wlaczeniu zasilacza impulsowego (SMPS). W
takim przypadku prad plynie tylko wtedy,
gdy napiecie wejsciowe przekracza napiecie zgromadzone w kondensatorze zbiorczym to znaczy blisko najwyzszego punktu
sinusoidy napiecia, jak pokazuje ksztalt linii obciazenia.
4
Przyczyny powstawania i skutki dzia³ania
Problemy z harmonicznymi wewnatrz instalacji
Jest kilka obszarów, na których pojawiaja sie problemy z harmonicznymi:
♦ problemy wywolane harmonicznymi pradu:
♦ przeciazenie przewodów neutralnych,
♦ przegrzanie transformatorów,
♦ niepozadane zadzialanie wylaczników automatycznych,
♦ przeciazenie baterii kondensatorowych do korekcji wspólczynnika mocy,
♦ naskórkowosc;
♦ Problemy wywolane przez harmoniczne napiecia:
♦ odksztalcenia napiecia,
♦ silniki indukcyjne,
♦ przejscie przez zero;
♦ Problemy powstajace w momencie dotarcia harmonicznych do zasilania.
Ponizej omówione sa krótko wszystkie powyzsze problemy.
Problemy wywolane harmonicznymi pradu
Przegrzanie przewodu neutralnego
W systemie trójfazowym sinusoida napiecia z kazdej fazy w stosunku do punktu neutralnego jest przesunieta o 120°
tak, ze kiedy obciazenie kazdej fazy jest jednakowe, sumaryczny prad w punkcie neutralnym wynosi zero. Kiedy obciazenia nie sa zrównowazone pojawia sie róznica pradów w przewodzie neutralnym. W przeszlosci instalatorzy (zgodnie
ze standardami) wykorzystywali ten fakt i instalowali przewody neutralne o srednicy dwa razy mniejszej. Jednak w
przeciwienstwie do pradów podstawowych, prady harmoniczne nie znikaja - w rzeczywistosci te, które sa nieparzysta
3-wielokrotnoscia skladowej podstawowej, dodaja sie w punkcie neutralnym. Rys. 12 przedstawia to zjawisko. Na diagramie prady fazowe maja przesuniecie 120°. Trzecia harmoniczna kazdej fazy jest identyczna i ma trzy razy wieksza
Rys. 12. Pr¹dy harmoniczne 3-go rzêdu dodaj¹ siê w punkcie neutralnym.
6
Przyczyny powstawania i skutki dzia³ania
czestotliwosc i przesuniecie o jedna trzecia (podstawowego) okresu. Rzeczywisty 3 harmoniczna w przewodzie neutralnym jest przedstawiona u dolu diagramu. W tym przypadku wartosc 70% trzeciej harmonicznej w kazdej fazie prowadzi to do pojawienia sie 210% harmonicznej pradu w przewodzie neutralnym.
Badania harmonicznych w budynkach komercyjnych zwykle pokazuja prady w przewodzie neutralnym pomiedzy 150 a
210% pradów fazowych, czesto w przewodzie o polowe mniejszym!
Istnieje pewne nieporozumienie dotyczace tego, jak konstruktorzy powinni sobie radzic z tym problemem. Tam gdzie
stosowane sa kable z jednym rdzeniem, prostym rozwiazaniem jest instalowanie przewodów neutralnych o podwójnej
grubosci jako dwóch osobnych przewodów lub jako jednego grubego przewodu. Tam gdzie stosowane sa kable wielordzeniowe sprawa nie jest taka prosta. Parametry znamionowe kabli wielordzeniowych (na przyklad podane w IEC
60364-5-523 Tabela 52 i BS 7671 Zalacznik 4) zakladaja, ze obciazenie jest symetryczne i przewód neutralny nie
przewodzi zadnego pradu; innymi slowy, tylko trzy z czterech lub pieciu zyl przewodza prad i wytwarzaja cieplo.
Poniewaz mozliwosci przewodzenia pradu
w kablu zaleza wylacznie od ilosci ciepla,
które dany kabel moze rozproszyc w maksymalnej dopuszczalnej temperaturze, dopuszczalne obciazenie kabli przewodzacych harmoniczne 3-go rzedu musi byc obnizone. W przykladzie podanym powyzej
kabel przewodzi piec jednostek pradu - trzy
w fazach i dwie w przewodzie neutralnym w jego dopuszczalne obciazenie wynosilo
trzy jednostki. Jego dopuszczalne obciazenie powinno byc, zatem zmniejszone do
okolo 60% obciazenia nominalnego.
IEC 60364-5-523 Aneks C (Informacje)
podaje sugerowany rzad wielkosci o ile nalezy obnizac dopuszczalne obciazenie odpowiednio do wystepujacej harmonicznej
3-go rzedu. Rys. 13 przedstawia wspólRys 13. Obni¿anie dopuszczalnego obci¹¿enia kabli dla pr¹du harmonicznego
czynnik obnizania dopuszczalnego obcia3. rzêdu.
zenia podany w IEC 60364-5-523 Aneks C
i dla metody termicznej wykorzystanej powyzej. Obecnie dyskutowane sa nowe przepisy i nowe wymagania oraz wytyczne, które beda prawdopodobnie
wprowadzone do krajowych standardów w niedalekiej przyszlosci.
Wplyw harmonicznych na transformatory
Harmoniczne wywoluja dwojakie skutki w transformatorach. Po pierwsze straty w pradach wirowych, zwykle okolo
10% strat przy pelnym obciazeniu, rosna z kwadratem rzedu harmonicznej. W praktyce, przy w pelni obciazonym transformatorze zasilajacym sprzet komputerowy, laczne straty bylyby dwa razy wieksze niz przy porównywalnym obciazeniu liniowym. Powoduje to o wiele wyzsza temperature pracy transformatora i szybsze zuzycie. Dokladniej w takich
warunkach zywotnosc takiego transformatora zmniejszylaby sie od okolo 40 lat do 40 dni! Na szczescie niewiele transformatorów jest w pelni obciazonych, ale takie skutki trzeba brac pod uwage w procesie doboru urzadzen.
Inny wplyw harmonicznych na transformatory wiaze sie z harmonicznymi 3-go rzedu. Przy uzwojeniu polaczonym w
trójkat wszystkie harmoniczne sumuja sie w fazie, tak ze harmoniczne 3-go rzedu kraza w uzwojeniu. Harmoniczne 3go rzedu sa efektywnie "pochlaniane" przez uzwojenie i nie rozprzestrzeniaja sie w systemie zasilania a transformatory
z takim ukladem polaczen sluza jako transformatory izolujace harmoniczne. Watro zauwazyc, ze harmoniczne inne niz
3-go rzedu przechodza przez taki "izolator". Przy przemianowaniu transformatora trzeba wziac pod uwage ten krazacy
w uzwojeniu transformatora prad.
Szczególowe omówienie wyznaczania parametrów znamionowych transformatorów dla harmonicznych mozna znalezc
w dalszych czesciach naszego poradnika.
Niepozadane zadzialanie wylaczników automatycznych
Dzialanie wylaczników róznicowych (RCCB) opiera sie na porównaniu lacznej ilosci pradów fazowych i przewodu ne7
Rys. 14. Obwód zastêpczy obci¹¿enia nieliniowego z kondensatorem PFC.
Rys. 15. Zniekszta³cenie napiêcia spowodowane obci¹¿eniem nieliniowym.
utralnego i jesli ta róznica przekracza
pewne granice, wylacznik odcina zasilanie.
Niepozadane zadzialanie wylacznika moze
miec miejsce w obecnosci harmonicznych z
dwóch powodów. Po pierwsze, wylaczniki
takie (RCCB) to urzadzenia elektromechaniczne i jako takie moga niedokladnie obliczyc skladowe o wyzszych czestotliwosciach i w konsekwencji zadzialac. Po drugie, urzadzenia, które wytwarzaja harmoniczne równiez wytwarza szum odksztalcenia laczeniowe, które musza byc eliminowane w filtrach. Filtry zwykle stosowane w
tym celu maja kondensator pomiedzy faza
przewodem neutralnym a uziemieniem, tak
ze niewielka ilosc pradu uplywa do ziemi.
Ten prad jest ograniczony standardami do
wartosci mniejszej niz 3,5mA (zwykle jest
on o wiele mniejszy), ale jesli odbiorniki sa
podlaczony do jednego obwodu, ta mala
ilosc pradu uplywowego moze wystarczyc,
aby wylacznik zadzialal. Latwo rozwiazac
ten problem zapewniajac wiecej obwodów,
kazdy o coraz nizszym obciazeniu. Dalsze
czesci poradnika bardziej szczególowo
omawiaja uplywy do ziemi.
Niepozadane zadzialanie miniaturowych
wylaczników (MCB) jest zwykle spowodowane tym, ze prad plynacy w obwodzie
jest wiekszy niz to wynika z obliczen lub
prostych pomiarów ze wzgledu na obecnosc harmonicznych. Wiekszosc przenosnych urzadzen pomiarowych nie mierzy
rzeczywistej wartosci skutecznej (RMS) i
moze zanizac wartosci pradów niesinusoidalnych o 40%. Pomiar rzeczywistej wartosci skutecznej (RMS) jest omówiony w
Czesci 3.2.2.
Przeciazenie baterii kondensatorowych do korekcji wspólczynnika mocy
Baterie kondensatorowe do korekcji wspólczynnika mocy sa stosowane do poboru
pradu wyprzedzajacego napiecie tak, aby
zrównowazyc prad opózniajacy sie w fazie
pobierany przez obciazenie indukcyjne takie jak silniki indukcyjne. Rys. 14 przedstawia obwód zastepczy dla kondensatora
PFC z obciazeniem nieliniowym. Impedancja kondensatora PFC zmniejsza sie w
miare wzrostu czestotliwosci, a tymczasem
impedancja zródla jest ogólnie indukcyjna i
rosnie wraz ze wzrostem czestotliwosci. Z
tego wzgledu kondensator moze przenosic
calkiem duze harmoniczne pradu, co moze
prowadzic do uszkodzen, chyba ze przygotowano sposób zapobiegania im.
Rys. 16. Rozdzielenie obci¹¿eñ liniowych i nieliniowych.
8
Przyczyny powstawania i skutki dzia³ania
Potencjalnie wiekszy problem polega na tym, ze kondensator i indukcyjnosc rozproszona systemu zasilania moze rezonowac bliskich czestotliwosciom jednej z harmonicznych (pojawiajacych sie w odstepach co 100Hz). Kiedy to nastepuje moga powstawac bardzo wysokie napiecia i prady, które czesto prowadza do katastrofalnej w skutkach awarii
baterii kondensatorów.
Mozna uniknac rezonansu dodajac indukcyjnosc szeregowo z kondensatorem tak, ze polaczenie jest tylko indukcyjne
przy najnizszej z istotnych harmonicznych. Takie rozwiazanie równiez ogranicza prad harmoniczny, który moze plynac
w kondensatorze. Rozmiary cewki indukcyjnej moga stanowic utrudnienie, szczególnie przy wystepowaniu harmonicznych niskiego rzedu.
Naskórkowosc (zjawisko Kelvina)
Prad przemienny zwykle plynie po zewnetrznej powierzchni przewodu. Jest to zjawisko zwane naskórkowoscia i jest
wyrazniej widoczne przy wysokich czestotliwosciach. Zjawisko naskórkowosci jest zwykle ignorowane, poniewaz ma
bardzo niewielki wplyw przy skladowej podstawowej, natomiast przy czestotliwosci powyzej 350Hz, tzn. przy siódmej
harmonicznej i nastepnych naskórkowosc zaczyna powodowac dodatkowe straty i wydzielanie ciepla. Tam gdzie wystepuja harmoniczne konstruktorzy powinni brac zjawisko naskórkowosci pod uwage i odpowiednio przemianowywac
kable. Zastosowanie wielordzeniowych kabli lub wielowarstwowych szyn moze przyczynic sie do pokonania tego problemu. Warto równiez zauwazyc, ze systemy mocowania szyn musza byc tak zaprojektowane, aby uniemozliwic rezonans mechaniczny przy czestotliwosciach harmonicznych. Poradnik konstruktorów w tych dwóch kwestiach znajduje
sie w publikacji 22 CDA, "Miedz w szynach".
Problemy wywolane przez harmoniczne napiecia
Ze wzgledu na impedancje zródla harmoniczne pradu wywoluja odksztalcenia przebiegu sinusoidy napiecia (jest to
zródlem "splaszczenia szczytu'). Sa dwa elementy dotyczace impedancji: instalacja wewnetrzna od punktu wspólnego
przylaczenia (PCC) oraz impedancja tego punktu (PCC), np. transformator zasilajacy. Ten pierwszy element jest przedstawiony na Rys. 15.
Odksztalcony prad w obciazeniu nieliniowym powoduje spadek i odksztalcenie napiecia w impedancji kabla. Powstajacy odksztalcony przebieg napiecia odnosi sie do wszystkich innych obciazen w tym samym obwodzie, wywolujac
przeplyw przez nie harmonicznych pradu - nawet jesli sa one obciazeniami liniowymi.
Rozwiazaniem jest rozdzielenie obwodów zasilajacych odbiorniki generujace harmoniczne od tych obwodów, które
zasilaja urzadzenia czule na harmoniczne, tak jak przedstawiono na Rys. 16. Oddzielne obwody zasilaja obciazenia
liniowe i nieliniowe z punktu wspólnego przylaczenia (PCC) tak, ze odksztalcenie napiecia wywolane obciazeniem
nieliniowym nie wplywa na obciazenie liniowe.
Mówiac o wielkosci odksztalcenia harmonicznego napiecia trzeba pamietac, ze podczas zasilania zasilacza bezprzerwowego UPS lub generatora awaryjnego w razie awarii zarówno impedancja zródla jak i odksztalcenie napiecia
beda o wiele wyzsze.
Przy instalowaniu lokalnych transformatorów nalezy pamietac, aby mialy one wystarczajaco niska impedancje wyjsciowa oraz dostateczna wielkosc, aby wytrzymac dodatkowe obciazenie cieplne, innymi slowy dobrze dobrany transformator powinien byc odpowiednio wiekszy. Warto pamietac, ze nie jest dobrze dobierac transformator, który ma
wyzsza moc dzieki wymuszonemu chlodzeniu - takie jednostki beda dzialac przy wyzszych temperaturach a ich zywotnosc bedzie skrócona. Wymuszone chlodzenie powinno byc stosowane tylko w wyjatkowych wypadkach, a nie podczas
normalnej eksploatacji transformatora.
Silniki indukcyjne
Odksztalcenie harmoniczne napiecia powoduje zwiekszone straty w postaci pradów wirowych zarówno w silnikach jak
i w transformatorach. Jednak, dodatkowe straty pojawiaja sie w wyniku powstawania pól harmonicznych w stojanie, z
których kazdy próbuje wprowadzic silnik w ruch obrotowy o róznej predkosci obrotowej do przodu lub do tylu. Indukowane prady wysokiej czestotliwosci w wirniku jeszcze bardziej zwiekszaja straty.
Jesli wystepuja odksztalcenia napiecia, silniki powinny byc przemianowane z uwzglednieniem takich dodatkowych
strat.
9
Przejscie przez zero
Wiele elektronicznych urzadzen sterujacych lokalizuje punkt, w którym napiecie zasilajace przekracza zero, aby ustalic
punkt zalaczenia. Takie dzialanie podyktowane jest tym, ze wlaczanie obciazen indukcyjnych przy napieciu wynoszacym zero nie wywoluje zjawisk przejsciowych, zmniejszajac interferencje elektromagnetyczna (EMI) i obciazenie pólprzewodników. Kiedy wystepuja harmoniczne lub przebiegi przejsciowe, predkosc zmiany napiecia przy przejsciu
przez zero jest wieksza i trudniej ja ustalic, co prowadzi do zaklócen w pracy urzadzen. W rzeczywistosci moze istniec
kilka punktów przejscia zera w jednym pólokresie.
Problemy z harmonicznymi wplywajace na zasilanie
Harmoniczne pradu wywoluja harmoniczne napiecia proporcjonalne do impedancji zródla w punkcie wspólnego przylaczenia(PCC) i pradu. Poniewaz siec zasilajaca jest ogólnie indukcyjna, impedancja zródla jest wyzsza przy wyzszych
czestotliwosciach. Oczywiscie napiecie w punkcie PCC jest juz odksztalcone przez harmoniczne ‘wyciagane’ przez
innych klientów i przez krazace juz w transformatorach harmoniczne a kazdy klient dodatkowo sie do tego przyczynia.
Oczywiscie klientom nie mozna pozwolic
na dalsze 'zanieczyszczanie' ukladu, poniewaz na tym cierpia inni uzytkownicy
energii, i dlatego w wiekszosci krajów
system zasilania dla przemyslu stworzyl
regulacje ograniczajace wielkosc harmonicznych. Wiele z tych zasad jest opartych
na standardach G5/3 stosowanych w Wielkiej Brytanii wydanych w 1975 roku i
ostatnio zastapionych przez G5/4 (2001).
Te standardy sa omówione szczególowo w
naszym poradniku.
Rys. 17. Filtr bocznikowy dla harmonicznych biernych.
Sposoby lagodzenia wplywu
harmonicznych
Dostepne sposoby kontrolowania wielkosci
generowanych harmonicznych pradu sa
omówione szczególowo w dalszych czesciach naszego poradnika. W tej czesci
znajduje sie krótki przeglad tego zagadnienia. Sposoby lagodzenia wplywu harmonicznych mozna podzielic na trzy kategorie. Filtry bierne (pasywne), transformatory
specjalne odcinajace i redukujace propagacje harmonicznych oraz metody aktywnej
filtracji. Kazdy sposób ma zalety i wady i
nie ma jednego uniwersalnego sposobu na
lagodzenie harmonicznych. Bardzo latwo
wydac duzo pieniedzy na nieodpowiednie i
nieefektywne rozwiazanie; najlepiej przeprowadzic szczególowe badanie - narzedzia
do przeprowadzenia takiego badania sa
opisane w innym miejscu naszego poradnika.
Rys. 18. Szereg bierny i filtry bocznikowe.
Filtry bierne
Filtry bierne sa stosowane do zapewnienia
sciezki niskiej impedancji dla pradów harmonicznych, aby plynely one przez filtr a
nie przez instalacje. (Rys. 17). W zaleznosci od konkretnych wymagan filtr moze
byc zaprojektowany dla jednej harmonicznej lub dla szerszego pasma.
Rys. 19. Transformator izolacyjny w uk³adzie trójk¹t-gwiazda.
10
Przyczyny powstawania i skutki dzia³ania
Czasami konieczne jest zaprojektowanie filtra o bardziej zlozonej konstrukcji w celu zwiekszenia impedancji szeregowej przy czestotliwosciach harmonicznych, aby w ten sposób zmniejszyc ilosc pradu plynacego z powrotem do obwodu
(Rys. 18).
Czasami stosuje sie proste filtry zaporowe dla przewodów fazowym lub neutralnego. Filtr szeregowy ma za zadanie
raczej zablokowac harmoniczne niz zapewnic im kontrolowana sciezke przeplywu i dlatego ma w nim miejsce duzy
spadek harmonicznej napiecia. Spadek harmonicznej pojawia sie po stronie obciazenia. Napiecie zasilajace jest bardzo
odksztalcone i dlatego nie spelnia wymagan urzadzen. Niektóre urzadzenia sa stosunkowo odporne na takie odksztalcenia, ale inne sa na nie bardzo czule. Filtry szeregowe moga byc pozyteczne w niektórych sytuacjach, ale nalezy je stosowac bardzo ostroznie; nie powinno sie ich polecac jako rozwiazania powszechnego.
Transformatory izolacyjne
Jak wspomniano wczesniej harmoniczne 3go rzedu kraza w uzwojeniach delta transformatorów. Chociaz jest to problem dla
producentów transformatorów i ekspertów
- trzeba uwzglednic dodatkowe obciazenie
- jest to z drugiej strony korzystne dla projektantów instalacji, poniewaz harmoniczne
3-go rzedu sa od niej izolowane.
Taki sam efekt mozna osiagnac stosujac
transformator uzwojony w 'zygzak'. Transformatory "zygzak: to autotransformatory
w ukladzie gwiazdy majace szczególne
powiazanie pomiedzy uzwojeniami polaczonymi bocznikowo z odbiornikiem.
Rys 20. Urz¹dzenie reguluj¹ce harmoniczne.
Filtry aktywne
Rozwiazania omówione dotychczas sa skuteczne tylko dla konkretnych rzedów harmonicznych, transformatory izolujace tylko dla harmonicznych 3-go rzedu a filtry bierne tylko dla konkretnych czestotliwosci harmonicznych. W niektórych instalacjach trudniej przewidziec spektrum odksztalcenia. W wielu instalacjach elektrycznych zasilajacych urzadzenia elektroniczne na przyklad, ciagle zmienia sie rodzaj urzadzen i ich rozmieszczenie, co powoduje ciagle zmiany
spektrum harmonicznych. Dobrym rozwiazaniem jest zastosowanie filtrów aktywnych.
Jak przedstawiono na Rys. 20 filtr aktywny jest urzadzeniem wlaczonym równolegle w obwód. Przekladnik pradowy
mierzy odksztalcenie pradu oraz steruje generowaniem pradu - identycznej repliki - wplywajacej z powrotem do obwodu w nastepnym okresie. Ze wzgledu na to, ze w filtrze generowana jest (replika) harmonicznej pradu, z ukladu
zasilania pobierana jest jedynie skladowa podstawowa. W praktyce wielkosc harmonicznych jest obnizana o 90%, a w
konsekwencji obnizona zostaje równiez wielkosc odksztalcenia napiecia.
Wnioski
Praktycznie wszystkie nowoczesne urzadzenia elektryczne i elektroniczne zawieraja zasilacze impulsowe (SMPS) lub
w jakis inny sposób kontroluja moc, stanowia zatem obciazenie nieliniowe. Obciazenia liniowe sa stosunkowo rzadkie,
a do nielicznych typowych przykladów naleza obwody oswietleniowe z zarówkami zarnikowymi bez sciemniaczy czy
grzejniki bez sterownika elektronicznego.
Wymagania, które maja spelniac urzadzenia w przyszlosci sa szczególowo omówione w dalszej czesci naszego poradnika, ale nie zostaly one jeszcze dostatecznie szczególowo ustalone w normach, aby wplywac skutecznie na zaklócenia
harmoniczne generowane przez urzadzenia elektroniczne takie jak komputery osobiste. To wlasnie taka klasa urzadzen
wywoluje w dzisiejszych czasach wiele problemów zwiazanych z harmonicznymi w przemysle i handlu czesciowo,
dlatego ze takich urzadzen jest bardzo wiele a dodatkowo dlatego, ze rodzaj harmonicznych generowanych przez PC
(harmoniczne 3-go rzedu) jest bardzo klopotliwy.
W miare podnoszenia sie jakosci instalowanych urzadzen, przy jednoczesnym braku wysokich standardów i metod ich
sprawdzania, odksztalcenia harmoniczne prawdopodobnie beda coraz wieksze. Stanowi to ryzyko dla firm, które musza
zatem inwestowac w dobre rozwiazania praktyczne, wlasciwe urzadzenia i eksploatacje.
11
Notatki
Europejskie Centra Promocji Miedzi
i partnerzy programu Leonardo da Vinci Power Quality
Benelux
European Copper Institute
W³ochy
Istituto Italiano del Rame
168 Avenue de Tervueren
B-1150 Brussels
Belgium
Tel:
00 32 2 777 70 70
Fax:
00 32 2 777 70 79
Email:
[email protected]
Web:
www.eurocopper.org
Kontakt: H. De Keulenaer
Via Corradino d’Ascanio 4
I-20142 Milano
Italy
Tel:
00 39 02 89301330
Fax:
00 39 02 89301513
Email:
[email protected]
Web:
www.iir.it
Kontakt: V. Loconsolo
Copper Benelux
Via Cardinal Maffi 21
I-27100 Pavia
Italy
Tel:
00 39 0382 538934
Fax:
00 39 0382 308028
Email:
[email protected]
Web
www.ecd.it
Kontakt: Dr A. Baggini
168 Avenue de Tervueren
B-1150 Brussels
Belgium
Tel:
00 32 2 777 7090
Fax:
00 32 2 777 7099
Email:
[email protected]
Web:
www.copperbenelux.org
Kontakt: B. Dôme
Hevrox
Schoebroeckstraat 62
B-3583 Beringen
Belgium
Tel:
00 32 11 454 420
Fax:
00 32 11 454 423
Email:
[email protected]
Kontakt: I. Hendrikx
KU Leuven
Kasteelpark Arenberg 10
B-3001 Leuven-Heverlee
Belgium
Tel:
00 32 16 32 10 20
Fax:
00 32 16 32 19 85
Email:
[email protected]
Kontakt: Prof. Dr R. Belmans
Niemcy
Deutsches Kupferinstitut e.V
Am Bonneshof 5
D-40474 Duesseldorf
Germany
Tel:
00 49 211 4796 323
Fax:
00 49 211 4796 310
Email:
[email protected]
Web:
www.kupferinstitut.de
Kontakt: S. Fassbinder
HTW
Goebenstrasse 40
D-66117 Saarbruecken
Germany
Tel:
00 49 681 5867 279
Fax:
00 49 681 5867 302
Email:
[email protected]
Kontakt: Prof Dr W. Langguth
Institutio Italiano del Rame
TU Bergamo
Viale G Marconi 5
I-24044 Dalmine (BG)
Italy
Tel:
00 39 035 27 73 07
Fax:
00 39 035 56 27 79
Email:
[email protected]
Kontakt: Prof. R. Colombi
Wielka Brytania
Copper Development Association
Verulam Industrial Estate
224 London Road
St Albans
Hertfordshire AL1 1AQ
England
Tel:
00 44 1727 731205
Fax:
00 44 1727 731216
Email:
[email protected]
Webs:
www.cda.org.uk & www.brass.org
Kontakt: A. Vessey
Polska
Polskie Centrum Promocji Miedzi S.A.
Pl.1 Maja 1-2
PL-50-136 Wroc³aw
Polska
Tel:
00 48 71 78 12 502
Fax:
00 48 71 78 12 504
Email:
[email protected]
Kontakt: P. Jurasz
Politechnika Wroc³awska
Wybrze¿e Wyspianskiego 27
PL-50-370 Wroc³aw
Polska
Tel:
00 48 71 32 80 192
Fax:
00 48 71 32 03 596
Email:
[email protected]
Kontakt: Prof. Dr hab. in¿. H. Markiewicz
Dr in¿. A. Klajn
Copper Development Association
Copper Development Association
Verulam Industrial Estate
224 London Road
St Albans AL1 1AQ
Tel:
Fax:
Email:
Websites:
00 44 1727 731200
00 44 1727 731216
[email protected]
www.cda.org.uk
www.brass.org
David Chapman - autor
Polskie Centrum Promocji Miedzi S.A.
50-136 Wroc³aw
pl. 1 Maja 1-2
Polska
European Copper Institute
168 Avenue de Tervueren
B-1150 Brussels
Belgium
Tel:
Fax:
e-mail:
Website:
Tel:
Fax:
Email:
Website:
00 48 71 78 12 502
00 48 71 78 12 504
[email protected]
www.miedz.org.pl
00 32 2 777 70 70
00 32 2 777 70 79
[email protected]
www.eurocopper.org