Zaburzenia napięcia - Europejski Instytut Miedzi

Zaburzenia napięcia - Europejski Instytut Miedzi

Zaburzenia napięcia
Migotanie światła – wprowadzenie
napięcia
zasilające
Zaburzenia napięcia
strumień
świetlny
5.1.4
Zaburzenia napięcia
Migotanie światła – wprowadzenie
Prof. Zbigniew Hanzelka, dr inż. Andrzej Bień
Akademia Górniczo-Hutnicza
sierpień 2005
Niniejszy Poradnik został opracowany jako część europejskiego programu edukacyjnego i szkoleniowego Jakość
Zasilania Inicjatywa Leonardo (LPQI), wspieranego przez Komisję Europejską (w ramach Programu Leonardo da
Vinci) i Międzynarodowe Stowarzyszenie Miedzi. Dla uzyskania bliższych informacji odwiedź stronę LPQI www.lpqi.org.
Polskie Centrum Promocji Miedzi Sp. z o.o. (PCPM)
Polskie Centrum Promocji Miedzi Sp. z o.o. jest organizacją non-profit, finansowaną przez dostawców miedzi oraz
producentów pragnących zachęcić odbiorców do stosowania miedzi i jej stopów oraz promujących ich prawidłowe
i efektywne zastosowanie. Działalność Centrum obejmuje zapewnienie technicznego doradztwa i informacji tym, którzy są
zainteresowani wykorzystaniem miedzi w jej wszystkich aspektach. Centrum również zapewnia łączność między jednostkami
badawczymi a przemysłem wykorzystującym miedź w produkcji oraz utrzymuje bliską łączność z innymi organizacjami zajmującymi
się rozwojem miedzi na całym świecie.
Europejski Instytut Miedzi (ECI)
Europejski Instytut Miedzi jest spółką joint venture Międzynarodowego Stowarzyszenia na Rzecz Miedzi
(ICA) i IWCC. ECI, dzięki swoim członkom, zajmuje się w imieniu największych producentów miedzi
na świecie i czołowych europejskich producentów - promocją miedzi w Europie. Powstały w styczniu
1996 roku Europejski Instytut Miedzi jest wspierany dzięki sieci dziesięciu Towarzystw Rozwoju Miedzi (CDA) w krajach Beneluksu,
we Francji, w Niemczech, Grecji, na Węgrzech, we Włoszech, w Polsce, Skandynawii, Hiszpanii i Wielkiej Brytanii. Towarzystwo
rozwija swoją działalność podjętą przez CDA powstałą w 1959 roku oraz dzięki INCRA (Międzynarodowemu Towarzystwu Badań
Miedzi) powstałemu w 1961 roku.
Zrzeczenie się odpowiedzialności
Niniejszy projekt nie musi odzwierciedlać stanowiska Komisji Europejskiej ani nie nakłada na Komisję Europejską żadnej
odpowiedzialności.
Europejski Instytut Miedzi, Deutsches Kupferinstitut i Polskie Centrum Promocji Miedzi zrzekają się wszelkiej odpowiedzialności
za wszelkie bezpośrednie lub pośrednie skutki jak również nie przewidziane szkody, które mogą być poniesione w wyniku użycia
informacji lub nieumiejętnego użycia informacji lub danych zawartych w niniejszej publikacji.
Copyright© European Copper Institute, Deutsches Kupferinstitut and Polskie Centrum Promocji Miedzi.
Reprodukcja materiału zawartego w niniejszej publikacji jest legalna pod warunkiem reprodukcji w całości i po dania jej źródła.
Promocja LPQI w Polsce prowadzona jest w ramach Polskiego Partnerstwa Jakości Zasilania:
Politechnika Wrocławska
Akademia Górniczo-Hutnicza
Instytut Szkoleniowy Schneider Electric Polska
Medcom Sp. z o.o.
Zaburzenia napięcia
Wahania napięcia (migotanie światła)
1. Wprowadzenie
Migotanie światła jest wrażeniem niestabilności postrzegania spowodowanym zmianami strumienia świetlnego, którego
luminancja lub rozkład spektralny podlega zmianom w czasie. Zwykle terminem tym określa się cykliczne zmiany strumienia świetlnego źródeł światła wywołane wahaniami napięcia zasilającego.
Zjawisko migotania światła jest objawem wahań napięcia, które mogą być spowodowane przez zaburzenia występujące
podczas wytwarzania, przesyłu lub dystrybucji energii elektrycznej. Typową ich przyczyną są duże odbiorniki niespokojne, czyli takie których moc czynna i bierna podlega szybkim zmianom w czasie.
W niniejszej części poradnika przedstawiono podstawowe informacje dotyczące zjawiska wahań napięcia, ich skutków,
metod pomiaru, sposobów eliminacji oraz stosowanych norm.
2. Przyczyny zmian napięcia
Na rysunku 1 przedstawiono, w układzie współrzędnych: wartość napięcia – czas trwania zaburzenia, klasyfikację zjawisk wpływających na wartość skuteczną napięcia. Ciemniejszym kolorem zaznaczono obszar zmian, będący przedmiotem rozważań w tej części poradnika.
Rys. 1. Zjawiska wpływające na wartość skuteczną napięcia (UN – napięcie znamionowe)
Napięcia na początku i końcu linii zasilającej różnią się pomiędzy sobą. Można to wykazać na podstawie prostego jednofazowego schematu zastępczego jak na rysunku 2a, Na podstawie wykresu wskazowego oraz prostych zależności geometrycznych można wyprowadzić zależność (1) określającą wartość różnicy napięć DU zdefiniowaną jak na rysunku (2b):
E −U 0 ΔU
P
Q
P
Q
≈
= RS 2 + X S 2 ≅ RS 2 +
U
U0
U0
U0
U 0 S zw
(1)
gdzie
E
napięcie źródłowe,
U0
napięcie na zaciskach odbiornika,
I0
prąd,
ZS, XS, RS
impedancja, reaktancja i rezystancja zastępcza linii zasilającej,
P, Q
moc czynna i bierna odbiornika
SZW
moc zwarciowa w punkcie przyłączenia odbiornika.
1
Migotanie światła – wprowadzenie
(a)
(b)
Rys. 2. Jednofazowy schemat zastępczy sieci zasilającej (a) oraz wykres wskazowy (b) dla odbiornika
rezystancyjno-indukcyjnego - E ‡ U0
Przyjmując, że wartość zastępczej rezystancji linii zasilającej jest pomijalnie mała w porównaniu z jej reaktancją
(XSñ10RS , co w praktycznych systemach zasilających SN i WN jest założeniem prawdziwym), otrzymuje się uproszczoną
zależność opisującą względną wartość zmiany napięcia na odbiorczym końcu linii:
ΔU
Q
≅
U0
S ZW
(1a)
Zmiany napięcia DU można podzielić, ze względu na przyczynę ich powstania, na: odchylenie (spadek napięcia) mające
stałą wartość w dłuższej skali czasu, wolną lub szybką zmianę napięcia oraz wahania napięcia. Wahania napięcia to seria
zmian wartości skutecznej lub obwiedni przebiegu czasowego napięcia (rys. 3).
(a)
(b)
Rys. 3. Przykład wahań skutecznej wartości napięcia (a) oraz powiększenie wybranego fragmentu rejestracji (b)
2
Migotanie światła – wprowadzenie
Rys. 4. Zmiany mocy biernej i spowodowane tym wahania napięcia w punkcie przyłączenia pieca łukowego
Wielkościami opisującymi wahania napięcia są:
– amplituda wahań napięcia (różnica maksymalnej i minimalnej wartości skutecznej lub szczytowej napięcia występująca podczas zaburzenia);
– liczba zmian napięcia w jednostce czasu i
– skutki wahań napięcia (przykładowo migotanie światła).
3. Źródła wahań napięcia
Podstawową przyczyną zaburzenia jest, jak wynika z zależności (1a), zmienność w czasie mocy odbiorników, głownie
mocy biernej. Do tej kategorii odbiorów należą między innymi: piece łukowe (rys. 4), regulowane napędy elektryczne np.
walcownicze, maszyn wyciągowych itp., a więc ogólnie odbiorniki o zmiennym obciążeniu, których moc jest znaczna w
relacji do mocy zwarciowej w punkcie ich przyłączenia.
Nie należy zapominać, że także odbiorniki mniejszej mocy tj. silniki indukcyjne podczas rozruchu, spawarki (rys. 5),
podgrzewacze, regulatory mocy, elektryczne piły i młoty, pompy i kompresory, dźwigi i windy itp. mogą być w pewnych
warunkach także źródłami wahań napięcia, podobnie jak procesy łączeniowe kondensatorów i praca pod obciążeniem
przełączników zaczepów transformatorów.
Zmiany wytwarzanej energii, przykładowo w turbinach wiatrowych, mogą być także przyczyną rozważanego zaburzenia.
W pewnych przypadkach wahania są efektem obecności interharmonicznych napięcia o małych częstotliwościach.
Rys. 5. Zmiana wartości skutecznej napięcia oraz prądu podczas procesu spawania
3
Migotanie światła – wprowadzenie
4. Skutki wahań napięcia
Wahania napięcia występujące w sieciach zasilających powodują szereg zjawisk wpływających negatywnie na procesy
produkcyjne, których koszty ekonomiczne mogą być niekiedy bardzo znaczące. Najważniejszymi są jednakże skutki
psychofizyczne wpływające na aspekty ergonomiczne środowiska produkcyjnego, powodujące zmęczenie pracowników
i zmniejszenie poziomu ich koncentracji.
Prócz wyszczególnionych, należy wspomnieć także o nieprawidłowościach w pracy aparatury stycznikowo-przekaźnikowej wywołujących niekiedy przerwy w produkcji.
W dalszej części przedstawiono przykładowo kilka wybranych negatywnych skutków wahań napięcia.
Maszyny elektryczne
Wahania napięcia na zaciskach silnika asynchronicznego powodują zmiany jego momentu oraz poślizgu i w konsekwencji mają wpływ na realizowany proces technologiczny. W skrajnych przypadkach mogą prowadzić do wzmożonych drgań mechanicznych, a więc do obniżenia wytrzymałości mechanicznej i skrócenia czasu eksploatacji
silnika.
Przekształtniki statyczne
Zmiana napięcia zasilającego w przekształtnikach sterowanych fazowo z układem stabilizacji parametrów po stronie prądu stałego powoduje najczęściej zmniejszenie współczynnika mocy i generację harmonicznych nie charakterystycznych
i interharmonicznych. W przypadku napędu prądu stałego znajdującego się w stanie hamowania zmiana napięcia może
prowadzić do przerzutu falownikowego.
Urządzenia do elektrolizy
Występuje skróceniu czasu eksploatacji tych urządzeń oraz zmniejszenie wydajności procesu technologicznego. Elementy linii zasilającej przewodzące prądy o dużej wartości mogą ulec znaczącej degradacji, zwiększając tym samym koszty
konserwacji i/lub napraw.
Urządzenia elektrotermiczne
W każdym przypadku następuje zmniejszenie wydajności, w przypadku pieca łukowego w następstwie wydłużenia czasu
wytopu. Z reguły zauważalne jest to dopiero przy znaczących amplitudach wahań napięcia.
Źródła światła
Zmiana napięcia zasilającego wywołuje jako skutek zmianę strumienia świetlnego źródła światła, znaną jako zjawisko
migotania światła (ang. flicker). Jest to subiektywne odczucie zmian strumienia świetlnego, którego luminancja lub rozkład spektralny podlega zmianom w czasie.
W tej grupie odbiorników, szczególnie wrażliwe na zmiany napięcia zasilającego są żarowe źródła światła. W ich przypadku strumień świetlny F jest proporcjonalny do napięcia zgodnie z zależnością: F~U g, gdzie wykładnik g przyjmuje
wartość z przedziału: 3,1-3,7 (w przypadku fluorescencyjnych źródeł światła wartość ta jest zwykle mniejsza i wynosi
około 1,8). Na rysunku 6 przedstawiono przykładową zmianę strumienia świetlnego żarówki - 60 W, 230 V - w reakcji
na wahanie napięcia zasilającego.
Migotanie światła, spowodowane wahaniami napięcia, wpływa istotnie na ograniczenie zdolności widzenia i zmęczenie,
powoduje pogorszenie samopoczucia i obniżenie jakości pracy. Natura psychofizyczna zaburzenia jest raczej złożona.
Można założyć, że generalnie wpływa ono na proces postrzegania i reakcje ludzkiego mózgu. W skrajnych przypadkach
może stać się bezpośrednią przyczyną wypadków przy pracy.
4
Migotanie światła – wprowadzenie
Rys. 6. Zmiana strumienia świetlnego żarówki wywołana zmiana napięcia zasilającego [1]
Rysunek przedstawia pojedynczą zmianę napięcia i jego skutek w postaci zmiany strumienia świetlnego. Jest to jedna z
serii zmian napięcia, składających się na wahanie napięcia.
5. Pomiar wahań napięcia
Można wyróżnić dwie podstawowe przyczyny pomiarów wahań napięcia. Pierwsza to ocena jakości zasilania (sprawdzenie zgodności istniejących poziomów zjawiska z postanowieniami odpowiednich norm). Druga dotyczy oceny poziomu
emisji odbiornika/urządzenia przed wprowadzeniem go na rynek (badania typu) i porównania jej z wartościami dopuszczalnymi określonymi w normach.
5.1. Miary liczbowe wahań napięcia
Jeszcze do niedawna wahania napięcia w sieci zasilającej lub na zaciskach odbiornika, były opisywane za pomocą wielkości określających maksymalną zmianę wartości skutecznej napięci. Wykorzystywano także energię wahań napięcia
oraz gęstość widmową mocy wahań napięcia, zwaną również widmem energetycznym wahań napięcia. Uwzględniano
także czas trwania wahań oraz (związany z częstością wahań) przedział czasu między kolejnymi zmianami napięcia.
Obecnie podstawowymi wskaźnikami opisującymi wahania napięcia są: krótkookresowy PST i długookresowy PLT wskaźnik wahań napięcia. Parametry te związane są ze skutkiem wahań napięcia jakim jest migotanie światła i jego wpływem
na ludzi.
Badania związane z procesem percepcji wzrokowej liczą już ponad 40 lat. W pierwszym okresie polegały głównie na
testach przeprowadzanych z wybranymi grupami ludzi, reprezentatywnymi dla populacji, z zastosowaniem różnych źródeł światła i różnych kształtów czasowych zmian napięcia. Wyznaczono na tej podstawie krzywą postrzegania i krzywą
uciążliwości (irytacji) zmian strumienia świetlnego. Charakterystyki te przedstawiają względną wartość amplitud sinusoidalnych lub prostokątnych wahań napięcia (oś pionowa/y) oraz ich częstotliwość (oś pozioma/x). Dzielą płaszczyznę
na dwie części. Obszar ponad charakterystyką, definiuje nieakceptowany poziom wahań napięcia, podczas gdy obszar
poniżej charakterystyki dotyczy dopuszczalnych poziomów wahań napięcia.
Udział fizjologów i psychologów w tych eksperymentach umożliwił opracowanie coraz doskonalszych modeli
matematycznych procesu neurofizjologicznego. Eksperymenty de’ Lange pozwoliły po raz pierwszy postawić tezę
o podobieństwie pomiędzy wrażliwością oka ludzkiego na bodźce świetlne a charakterystyką częstotliwościową
analogu elektrycznego. Dalsze badania prowadzone przez Kelly’ego uwzględniały nie tylko amplitudę zmian, lecz
także poziomy adaptacji oka do średniej luminancji. Ogromny wkład w rozwój tej gałęzi wiedzy wnieśli Rashbass,
Koenderink i Van Doom [1, 2]. Ich badania doprowadziły bezpośrednio do opracowania miernika migotania UIE.
W mierniku tym przyjęto jako sygnał wejściowy zmiany napięcia zasilającego źródło światła, a nie bezpośrednio
zmiany strumienia świetlnego. Wymagało to odtworzenia w przyrządzie fizjologicznego procesu postrzegania i tę
rolę pełni model Rashbassa i Koenderinka. Przeprowadzone przez nich badania wykazały także, że oko ludzkie ma
charakter filtru pasmowego (o paśmie 0,5 - 35 Hz), z maksymalnym współczynnikiem wzmocnienia (maksymalną
czułością na zmiany strumienia świetlnego) dla częstotliwości 8-9 Hz. Dla żarowych źródeł światła odpowiada
to wahaniom napięcia o amplitudzie około 0,3% średniej z wartości skutecznej. Skutki fizjologiczne zależą od
amplitudy zmian strumienia świetlnego (amplitudy zmian napięcia zasilającego źródło światła), sekwencji powtó-
5
Migotanie światła – wprowadzenie
rzeń, spektrum częstotliwościowego oraz czasu występowania zaburzenia. Reakcja mózgu na pobudzenie bodźcem świetlnym ma charakter całkujący z okresem całkowania o wartości około 300 ms. Oznacza to, że występuje
śledzenie wolnych i „wygładzanie” szybkich zmian strumienia świetlnego. Np. dwie krótkie zmiany strumienia
występujące w czasie 300 ms są postrzegane jako jedna zmiana. Bardziej dokuczliwe są zmiany strumienia świetlnego, dające krótki impuls świetlny, po którym występuje dłuższa przerwa. Zjawisko migotania światła jest bardziej
dominujące w bocznych niż w bezpośrednich obrazach, na których skoncentrowana jest uwaga patrzącego. Zmiany
strumienia świetlnego są wywoływane w taki sam sposób, niezależnie od rodzaju napięcia zasilającego źródło światła - zmiennego lub stałego.
5.2. Koncepcja oceny wpływu wahań napięcia na komfort użytkownika
Zjawisko wahań napięcia jest znane nieomal od początku istnienia systemów rozdziału energii elektrycznej. Jego
znaczenie wzrosło wraz ze wzrostem liczby odbiorników oraz ich zainstalowanej mocy. W celu lepszego zrozumienia
zaburzenia oraz jego skutków, w krajach w których stało się ono ważnym problem, przeprowadzono badania w celu
jego pomiarowej oceny oraz rozpoznania istoty zjawiska. Początkowo badania polegały głównie na prostej obserwacji zmian strumienia świetlnego. Następnie opracowano model reakcji (zmęczenia) człowieka na zmiany strumienia
świetlnego i to doprowadziło do skonstruowania pierwszych mierników poziomu migotania źródeł światła. Przyrządy
zawierały żarówkę (60W, 230V), detektor natężenia światła i analogowy model (na wzmacniaczach operacyjnych) dla
symulacji reakcji człowieka. Koniec lat 80. przyniósł bardziej systematyczne badania w celu oceny poziomów wahań
napięcia, w większości koordynowane przez międzynarodową Unię Elelektrotechnologii (UIE). W efekcie, został
opracowany znormalizowany przyrząd wykorzystujący wskaźniki PST dla krótkookresowej i wskaźniki PLT dla długookresowej oceny wahań napięcia. Jest to obecnie miernik elektroniczny, w strukturze którego odtwarzany jest model
żarowego źródła światła oraz model reakcji człowieka na bodźce świetlne. Zasady konstrukcji przyrządu podano w
innej części niniejszego poradnika.
6. Sposoby redukcji wahań napięcia w systemie zasilającym
Skutki wahań napięcia zależą przede wszystkim od ich amplitudy oraz częstości występowania. O ile na amplitudę ma
wpływ między innymi układ zasilający odbiorniki niespokojne, o tyle częstość występowania wahań zależy od rodzaju
odbiornika i charakteru jego pracy. O częstości występowania wahań decyduje więc proces technologiczny. Jak dotychczas, stosuje się przede wszystkim metody ograniczania amplitud wahań napięcia, w mniejszym stopniu ingeruje się w
proces technologiczny. Przykładem tych ostatnich działań mogą być:
- w przypadku pieca łukowego – dodanie szeregowego dławika (również o zmiennym stopniu nasycenia), właściwa
praca automatyki przesuwu elektrod, segregacja i wstępne przygotowanie wsadu, domieszkowanie elektrod itp.: są
to sposoby dobrze znane technologom-metalurgom;
- w przypadku linii spawalniczej – zasilanie linii z oddzielnego transformatora, przyłączenie wielu jednofazowych
agregatów spawalniczych do sieci trójfazowej z symetrycznym rozdziałem obciążeń pomiędzy poszczególne fazy,
przyłączenie jednofazowej spawarki do fazy, która nie jest obciążona odbiornikami oświetleniowymi itp.
− w przypadku napędów elektrycznych – stosowanie układów złagodzonego rozruchu (ang. softstart)
Jak wynika z zależności (1a) amplitudę wahań napięcia można ograniczyć dwoma sposobami:
− zwiększając moc zwarciową w punkcie przyłączenia odbiornika niespokojnego (w relacji do mocy odbiornika);
w praktycznych działaniach oznacza to:
- przyłączanie odbiornika do szyn zasilających o coraz wyższym napięciu znamionowym,
- wydzielanie specjalnych, dedykowanych linii do zasilania tej kategorii odbiorników,
- zasilanie odbiorników spokojnych i niespokojnych z oddzielnych uzwojeń transformatorów trójuzwojeniowych lub z oddzielnych transformatorów (separacja odbiornika niespokojnego),
- zwiększanie mocy transformatora zasilającego odbiornik niespokojny,
- instalowanie kondensatorów szeregowych itp.
− zmniejszając zmiany mocy biernej w sieci zasilającej poprzez instalację tzw. kompensatorów/stabilizatorów
dynamicznych.
6
Migotanie światła – wprowadzenie
6.1. Dynamiczne stabilizatory napięcia
Dynamiczne stabilizatory są jednym z technicznie możliwych sposobów eliminacji zmian napięcia lub redukcji ich wartości. Skuteczność działania zależy głównie od ich mocy znamionowej oraz szybkości reakcji. Powodując przepływ mocy
biernej podstawowej harmonicznej wywołują spadki napięcia na impedancjach sieci zasilającej. W zależności od charakteru prądu biernego (indukcyjny lub pojemnościowy) powoduje to wzrost lub zmniejszenie wartości skutecznej napięcia
w punkcie wspólnego przyłączenia (PWP). Rysunek 7 przedstawia klasyfikację różnych rozwiązań dynamicznych stabilizatorów napięcia. Są to głównie układy trójfazowe o znacznej mocy znamionowej, przeznaczone do stabilizacji napięcia
w punkcie węzłowym sieci rozdzielczej lub stabilizacji napięcia wyróżnionego odbiornika/grupy odbiorników w PWP.
Ponieważ układy te często pełnią także funkcję dynamicznych kompensatorów mocy biernej podstawowej harmonicznej,
pojęcia: stabilizator i kompensator używane będą zamiennie.
Rys. 7. Klasyfikacja dynamicznych stabilizatorów napięcia
6.1.1. Maszyna synchroniczna
Maszyny synchroniczne są tradycyjnym źródłem regulowanej w sposób ciągły mocy biernej podstawowej harmonicznej
(indukcyjnej lub pojemnościowej). Mogą być równocześnie źródłem energii mechanicznej w przypadku pracy maszyny
nie tylko jako kompensator, lecz również jako napęd.
Stosowanie maszyny synchronicznej bez układów regulacji prądu wzbudzenia jest niecelowe, dla osiągnięcia bowiem dopuszczalnego normami poziomu zmian napięcia niezbędna byłaby maszyna o znamionowej mocy wielokrotnie przekraczającej moc
odbiornika, którego napięcie podlega stabilizacji. Ten fakt, wraz z wymaganiem dobrej dynamiki procesu stabilizacji, uzasadnia
potrzebę pracy maszyny synchronicznej w zamkniętym układzie stabilizacji napięcia z szybką regulacją prądu wzbudzenia (rys.
8). Rozwiązanie takie pozwala uzyskać dużą szybkość zmian prądu biernego maszyny synchronicznej.
Rys. 8. Schemat układu stabilizacji napięcia z zastosowaniem maszyny synchronicznej
7
Migotanie światła – wprowadzenie
6.1.2 Kompensatory statyczne
W większości przypadków (z wyłączeniem układów STATCOM) statyczne kompensatory wykorzystują elementy bierne
pojemnościowe i/lub indukcyjne załączane, sterowane fazowo lub o zmiennym stopniu nasycenia rdzenia ferromagnetycznego. Wywołują przepływ, wymaganego ze względów stabilizacyjnych prądu biernego w sposób dyskretny lub częściej w sposób ciągły. Są obecnie uważane za najbardziej korzystny – z technicznego i ekonomicznego punktu widzenia
– sposób poprawy warunków dostawy energii elektrycznej.
Kompensatory z nasyconymi dławikami
Skonstruowano wiele urządzeń przeznaczonych do stabilizacji napięcia, w których wykorzystano zjawisko nasycenia obwodu magnetycznego. Szersze, praktyczne zastosowanie znalazły głównie dwa rozwiązania: samonasycający się dławik
(SR) oraz dławik z obwodem sterującym prądu stałego.
Samonasycający się dławik (SR)
Był jednym z pierwszych kompensatorów statycznych zastosowanych na skalę przemysłową do redukcji wahań napięcia.
Technika projektowania dławika zmierzała do ukształtowania jego charakterystyki magnesowania, a tym samym charakterystyki prądowo-napięciowej dla podstawowej harmonicznej, z wyraźnym punktem zagięcia i liniowym przebiegiem
w stanie nasycenia, o niewielkim dodatnim nachyleniu w dużym przedziale zmian prądu. Przy małej wartości napięcia
zasilającego dławik wychodzi ze stanu nasycenia i wywołując przepływ prądu magnesującego może być rozważany jako
nie obciążony transformator. W tym stanie nie ma praktycznie żadnego wpływu na poziom napięcia. Kontrola prądu
biernego dławika realizowana jest w naturalny sposób poprzez wykorzystanie własności rdzenia magnetycznego w stanie
nasycenia, gdy mała zmiana napięcia zasilającego wywołuje dużą zmianę prądu. Kompensator jest przyłączony do sieci
zasilającej najczęściej bez pośrednictwa obniżającego transformatora.
Rys. 9. Zasada działania samonasycającego się dławika:
a) schemat ideowy obwodu; b) charakterystyka magnesowania rdzenia
Dławik z obwodem sterującym prądu stałego
Urządzenie pracuje najczęściej z równoległą baterią kondensatorów tworzącą filtr/filtry wyższych harmonicznych. Jest w
swej istocie działania transduktorem, w którym wartość zmiennego prądu pierwotnego regulowana jest poprzez zmianę
stałego prądu magnesującego. Uzwojenie sterujące (prądu stałego) zasilane jest najczęściej z w pełni sterowanego prostownika tyrystorowego (jego moc nie przekracza zazwyczaj 1% mocy całego urządzenia). Dzięki temu możliwe jest
forsowanie przebiegów przejściowych prądu, a tym samym duża szybkość działania układu. W efekcie zmiany prądu
magnesującego, prąd pierwotny może zmieniać się praktycznie od zera (rdzeń nie nasycony) do wartości maksymalnej
(rdzeń nasycony) w całym przedziale zmian prądu.
Istotną wadą tego rozwiązania są generowane wyższe harmoniczne (wh) prądu. W wersji trójfazowej wzrost liczby kolumn rdzenia oraz odpowiedni sposób kojarzenia licznych uzwojeń pozwala na praktyczną eliminację wh prądu, jednakże za cenę wzrostu czasu reakcji układu.
Możliwe jest zastosowanie trzech układów jednofazowych, co pozwala również na realizację symetryzacji.
Baterie kondensatorów załączane łącznikami tyrystorowymi (ang. Thyristor Switched Capacitors - TSC)
W rozwiązaniu tym międzyfazowo łączone są baterie kondensatorów podzielone na sekcje, z których każda jest załączana
(lub wyłączana) indywidualnie za pomocą łączników tyrystorowych prądu przemiennego (rys. 10). Wartość zastępczych
8
Migotanie światła – wprowadzenie
susceptancji kompensatora zmienia się więc w sposób dyskretny, w zależności od liczby przewodzących sekcji. Poprzez
wybór odpowiednio dużej ich liczby można uzyskać wymaganą małą zmianę zastępczej sucseptancji pojedynczego stopnia.
Synchronizacja momentu załączania łącznika oraz wstępne naładowanie baterii pozwala uniknąć przetężeń i przepięć, towarzyszących zwykle łączeniu kondensatorów. Czas reakcji układu dla pracy symetrycznej nie przekracza 20 ms.
Rys. 10: Schemat kompensatora statycznego TSC
(a) oraz przebiegi napięcia i prądu podczas łączenia kondensatora (b)
Kompensator ze stałą baterią kondensatorów (FC) oraz sterownikiem podstawowej harmonicznej prądu indukcyjnego
(TCR) – FC/TCR
Rozwiązanie to jest przykładem pośredniej metody kompensacji,
w której, w zależności od potrzeb wynikających z funkcji stabilizatora napięcia lub kompensatora mocy biernej, regulowana jest
wartość sumy dwóch składowych prądu (rys. 11):
- podstawowej harmonicznej prądu kondensatora, pracującego prawie zawsze jako filtr/filtry wh lub jako przełączalne
stopnie kondensatorów (układ TCR/TSC);
- podstawowej harmonicznej prądu dławika regulowanej
poprzez sterowanie fazowe tyrystorowego łącznika prądu
przemiennego.
W klasycznej, trójfazowej konfiguracji (rys. 12) gałęzie dławikowe połączone są w trójkąt i wraz z równoległymi filtrami
wh stanowią dla sieci zasilającej, włączone międzyfazowo
zastępcze susceptancje. Ich wartości zmieniają się na skutek
zmiany kątów wysterowania a, w sposób od siebie niezależny
i bezstopniowy. Rolę dławika mogą pełnić również reaktancje
zastępcze transformatora o dużym napięciu zwarcia. Przykładowy efekt działania kompensatora przedstawiono na rysunku
13.
Rys. 11. Jednofazowy schemat zastępczy układu FC/TCR
(a) oraz przebiegi czasowe napięcia i prądu ilustrujące
zasadę działania (b)
9
Migotanie światła – wprowadzenie
Rys. 12. Schemat ideowy trójfazowego kompensatora FC/TCR
Rys. 13. Przykładowy przebieg napięcia na szynach elektrostalowni dla wyłączonego i załączonego kompensatora FC/TCR
Przekształtnikowe źródła mocy biernej o komutacji własnej
Układ zawiera przekształtnik, w większości przypadków typu źródło napięcia VSI (ang. Voltage Source Inverter), stany
łączeniowe elementów półprzewodnikowych którego (modulacja PWM), decydują o wartości, a w wielu przypadkach
również o charakterze mocy biernej kompensatora (indukcyjna lub pojemnościowa) – rysunek 14.
W literaturze opisano wiele różnych, konfiguracji takich kompensatorów. Każdy z nich jest najczęściej odrębnym układem o charakterystycznych, typowych dla niego cechach. Najbardziej znaną wersją tego typu
układu jest kompensator STATCOM. Jest on przykładem kompensatora
statycznego nowej generacji, w którym wykorzystuję się w pełni sterowane elementy półprzewodnikowe. Nazwa układu – synchroniczny
kompensator statyczny (ang. static synchronous compensator) wynika
z zasady działania urządzenia, analogicznej do wirującego kompensatora synchronicznego (ale o znacznie większej szybkości działania).
Podstawową częścią układu jest przekształtnik AC/DC, przyłączony
do sieci zasilającej poprzez dławik sprzęgający, którego rolę często
pełni reaktancja zastępcza transformatora. W przypadku gdy napięcie
przekształtnika jest mniejsze niż napięcie sieci zasilającej (z którym jest
współfazowe), wówczas kompensator stanowi odbiornik indukcyjny.
Przeciwnie, gdy napięcie przekształtnika jest większe niż napięcie sieci,
kompensator dostarcza moc bierną, zachowując się jak odbiornik pojemnościowy – rysunek 15.
Rys. 14. Schemat ideowy aktywnego,
statycznego kompensatora (VSI)
przyłączonego do sieci zasilającej
10
Migotanie światła – wprowadzenie
Rys. 15. Wykresy wskazowe napięcia i prądu lustrujące pracę kompensatora STATCOM
dla różnych kątów przesunięć fazowych pomiędzy U0 i UP
7. Zakończenie
Migotanie światła jest zjawiskiem subiektywnym, trudno więc określić bezpośredni koszt jego skutków. Zaburzenie to
wpływa jednakże na jakość podstawowej usługi świadczonej przez dostawcę energii elektrycznej, jaką jest gwarantowanie odpowiedniego i stałego oświetlenia. Z pewnością wpływa na efektywność pracy w biurach lub zakładach produkcyjnych, gdzie stabilne oświetlenie jest warunkiem niezbędnym do wykonywania pracy. Koszt wahań napięcia jest
zwykle szacowany na podstawie kosztów układów do jego eliminacji, instalowanych w przypadku intensywnych skarg
użytkowników.
Rozwój energoelektroniki, a głównie technologii produkcji elementów półprzewodnikowych, pozwala obecnie na realizację układów dynamicznej stabilizacji napięcia o coraz większych mocach jednostkowych, przy równoczesnej minimalizacji ich kosztów, zarówno inwestycyjnych, jak i eksploatacyjnych. Opracowane, złożone algorytmy sterowania oraz
dostępność urządzeń pozwalających na szybką ich realizację umożliwia wyposażenie tych układów w wielorakie funkcje
użytkowe, istotne z punktu widzenia właściwej pracy systemu zasilającego, w tym również w funkcję stabilizacji napięcia
w stanach przejściowych.
11
Migotanie światła – wprowadzenie
LITERATURA
[1] Guide to Quality of Electrical Supply for Industrial Installations, Part 5, Flicker and Voltage Fluctuations, „Power Quality” Working Group
WG2, 2000.
[2] UIE Guide to Quality of Electrical Supply for Industrial Installations. Part 1: General introduction to electromagnetic compatibility (EMC),
types of disturbances and relevant standards, 1994.
ZAŁĄCZNIK
Tablica A1: Normy dotyczące wahań napięcia (PN, IEC i EN)
Lp.
1.
Numer normy
IEC 61000-2-2: 2002
Tytuł
Electromagnetic compatibility (EMC). Part 2. Environment. Section 2. Compatibility levels for low-frequency conducted disturbances and signalling in public lowvoltage power supply systems
PN EN 61000-2-2:2003 (u) Kompatybilność elektromagnetyczna (EMC) – Część 2-2: Środowisko. Poziomy
kompatybilności zaburzeń przewodzonych małej częstotliwości i sygnałów przesyłanych w publicznych sieciach zasilających niskiego napięcia
2.
IEC 1000-3-5: 1994
Electromagnetic compatibility (EMC). Part 3. Limits. Section 5. Limitation of voltage fluctuations and flicker in low-voltage supply systems for equipment with rated current greater than 16 A
PN-T 03501:1998
Kompatybilność elektromagnetyczna (EMC) – Dopuszczalne poziomy – Ograniczanie wahań napięcia i migotania światła powodowanych przez odbiorniki o prądzie znamionowym większym niż 16 w sieciach zasilających niskiego napięcia
3.
IEC 1000-3-7: 1996
Electromagnetic compatibility (EMC). Part 3. Limits. Section 7. Assessment of
emission limits for fluctuating loads in MV and HV power systems
4.
IEC 61000-4-14: 2002
Electromagnetic compatibility (EMC). Part 4. Testing and measuring techniques.
Section 14. Voltage fluctuation immunity tests.
PN EN 61000-4-14: 2002
+ A1: 2005 (u)
Kompatybilność elektromagnetyczna (EMC) – Część 4-14: Metody badań i pomiarów. Badanie odporności na wahania napięcia
5.
IEC 60868: 1986
Flickermeter – Functional and design specifications
6.
PN-EN 61000-4-15: 1999 + Kompatybilność elektromagnetyczna (EMC) - Metody badań i pomiarów - MierAp1: 2003 + A1: 2005
nik migotania światła - Specyfikacja funkcjonalna i projektowa
7.
PN EN 61000-4-30: 2004
Kompatybilność elektromagnetyczna (EMC) - Część 4-30: Metody badań i pomiarów - Metody pomiaru jakości energii
12
Partnerzy główni i referencyjni
European Copper Institute (ECI)
www.eurocopper.org
ETSII - Universidad Politécnica de Madrid
www.etsii.upm.es
LEM Instruments
www.lem.com
Akademia Górniczo-Hutnicza (AGH)
www.agh.edu.pl
Fluke Europe
www.fluke.com
MGE UPS Systems
www.mgeups.com
Centre d’Innovació Tecnològica en Convertidors
Estàtics i Accionaments (CITCEA)
www-citcea.upc.es
Hochschule für Technik und Wirtschaft (HTW)
www.htw-saarland.de
Polskie Centrum Promocji Miedzi (PCPM)
www.miedz.org.pl
Comitato Elettrotecnico Italiano (CEI)
www.ceiuni.it
Hogeschool West-Vlaanderen
Departement PIH
www.pih.be
University of Bath
www.bath.ac.uk
Copper Benelux
www.copperbenelux.org
Istituto Italiano del Rame (IIR)
www.iir.it
Università di Bergamo
www.unibg.it
Copper Development Association (CDA UK)
www.cda.org.uk
International Union for Electricity Applications (UIE) Utto-Von-Guericke-Universität Magdeburg
www.uie.org
www.uni-magdeburg.de
Deutsches Kupferinstitut (DKI)
www.kupferinstitut.de
ISR - Universidade de Coimbra
www.isr.uc.pt
University of Manchester Institute of Science and
Technology (UMIST)
www.umist.ac.uk
Engineering Consulting & Design (ECD)
www.ecd.it
Katholieke Universiteit Leuven
(KU Leuven)
www.kuleuven.ac.be
Politechnika Wrocławska
www.pwr.wroc.pl
EPRI PEAC Corporation
www.epri-peac.com
Laborelec
www.laborelec.com
Zespół redakcyjny
David Chapman (Chief Editor)
CDA UK
[email protected]
Prof Angelo Baggini
Università di Bergamo
[email protected]
Dr Araceli Hernández Bayo
ETSII - Universidad Politécnica de Madrid
[email protected]
Prof Ronnie Belmans
UIE
[email protected]
Dr Franco Bua
ECD
[email protected]
Jean-Francois Christin
MGE UPS Systems
[email protected]
Prof Anibal de Almeida
ISR - Universidade de Coimbra
[email protected]
Hans De Keulenaer
ECI
[email protected]
Gregory Delaere
Lemkco
[email protected]
Prof Jan Desmet
Hogeschool West-Vlaanderen
[email protected]
Dr ir Marcel Didden
Laborelec
[email protected]
Dr Johan Driesen
KU Leuven
[email protected]
Stefan Fassbinder
DKI
[email protected]
Prof Zbigniew Hanzelka
Akademia Górniczo-Hutnicza
[email protected]
Stephanie Horton
LEM Instruments
[email protected]
Dr Antoni Klajn
Politechnika Wrocławska
[email protected]
Prof Wolfgang Langguth
HTW
[email protected]
Jonathan Manson
Gorham & Partners Ltd
[email protected]
Prof Henryk Markiewicz
Politechnika Wrocławska
[email protected]
Carlo Masetti
CEI
[email protected]
Mark McGranaghan
EPRI PEAC Corporation
[email protected]
Dr Jovica Milanovic
UMIST
[email protected]
Dr Miles Redfern
University of Bath
[email protected]
Dr ir Tom Sels
KU Leuven
[email protected]
Prof Zbigniew Styczynski
Universität Magdeburg
[email protected]
Andreas Sumper
CITCEA
[email protected]
Roman Targosz
PCPM
[email protected]
Hans van den Brink
Fluke Europe
[email protected]
Prof. Zbigniew Hanzelka
Akademia Górniczo-Hutnicza
30-019 Kraków
Al. Mickiewicza 30
Polska
Tel.:
(012) 617 28 78
Fax:
(012) 633 22 84
Email:
[email protected]
Web:
www.agh.edu.pl
Dr inż. Andrzej Bień
Akademia Górniczo-Hutnicza
30-019 Kraków
Al. Mickiewicza 30
Polska
Tel.:
(012) 617 28 73
Fax:
(012) 633 22 84
Email:
[email protected]
Web:
www.agh.edu.pl
Polskie Centrum Promocji Miedzi Sp. z o.o.
50-136 Wrocław
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