Przyczyny powstawania I skutki działania
Transkrypt
Przyczyny powstawania I skutki działania
Jakoæ 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 wartoæ 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. Dzia³alnoæ Centrum obejmuje zapewnienie technicznego doradztwa i informacji tym, którzy s¹ zainteresowani wykorzystaniem miedzi w jej wszystkich aspektach. Centrum równie¿ zapewnia ³¹cznoæ miêdzy jednostkami badawczymi a przemys³em wykorzystuj¹cym mied w produkcji oraz utrzymuje blisk¹ ³¹cznoæ z innymi organizacjami zajmuj¹cymi siê rozwojem miedzi na ca³ym wiecie. 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 wiecie 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 dzia³alnoæ podjêt¹ przez CDA powsta³¹ w 1959 roku oraz dziêki INCRA (Miêdzynarodowemu Towarzystwu Badañ Miedzi) powsta³emu w 1961 roku. Zrzeczenie siê odpowiedzialnoci Polskie Centrum Promocji Miedzi S.A. oraz Europejski Instytut Miedzi zrzekaj¹ siê wszelkiej odpowiedzialnoci za bezporednie b¹d porednie 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 ca³oci i podania jej ród³a. 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 dAscanio 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