Zmniejszenie negatywnego oddziaływania na sieć

Zmniejszenie negatywnego oddziaływania na sieć
zasilającą zmodyfikowanego przekształtnika
energoelektronicznego 6T
The Reduktion of Negative Influence for Supply Network in modified
Power Electronics Converter 6T
Wiesława Malska,
Politechnika Rzeszowska, Zakład Energoelektroniki i Elektroenergetyki, ul. W. Pola 2, 35-959 Rzeszów, Polska, email:[email protected]
Wstęp
Przekształtniki AC/DC są obecnie szeroko
rozpowszechnione w wielu dziedzinach techniki, począwszy od gospodarstw domowych i działalności usługowej, poprzez przemysł, elektroenergetykę, telekomunikację, na technice lotniczej i kosmicznej kończąc.
Celem stosowania przekształtników energoelektronicznych w urządzeniach powszechnego użytku jest głównie
zmniejszenie zużycia energii elektrycznej i obniżenie
kosztów eksploatacyjnych. Ważna jest również taka konstrukcja lub odpowiednie sterowanie urządzenia energoelektronicznego, aby z punktu widzenia sieci zasilającej ograniczyć negatywne oddziaływanie tego typu
przekształtników energoelektronicznych na sieć zasilającą. Przekształtniki AC/DC są nieliniowymi odbiornikami energii elektrycznej. Oprócz mocy czynnej pobierają ze źródła zasilania również moc odkształcenia, a w
przypadku układów sterowanych fazowo również moc
przesunięcia fazowego. Przy danej wartości skutecznej
sinusoidalnego napięcia zasilającego poszczególnym
składowym mocy odpowiadają składowe prądu
pobieranego z linii zasilającej: składowa czynna, składowa przesunięcia fazowego i składowa odkształcenia [1,
3, 6, 8, 10]. Dąży się do tego, aby wszystkie składowe
prądu – oprócz składowej czynnej były wyeliminowane,
lub znacznie ograniczone. Zredukowanie składowych
przesunięcia fazowego i odkształcenia uzyskuje się przez
przyjęcie odpowiedniej struktury układu przekształtnika
energoelektronicznego (np. przekształtniki półsterowane,
układy złożone sterowane sekwencyjnie, układy o
zwiększonej liczbie pulsów, układy sterowane przy użyciu technik PWM), bądź też przez instalowanie urządzeń
kompensujących włączonych równolegle z przekształtnikiem. Te urządzenia kompensujące realizuje się
oddzielnie do kompensacji mocy biernej przesunięcia
fazowego i oddzielnie do kompensacji prądu odkształcenia. Budowane są one w postaci filtrów biernych,
złożonych z elementów reaktancyjnych LC, filtrów aktywnych o charakterze prądowym, filtrów hybrydowych,
składających się z filtrów biernych i współpracujących z
nimi filtrów aktywnych o charakterze napięciowym.
Możliwa jest także modyfikacja istniejących struktur
układów energoelektronicznych, zapewniająca ograniczenie lub wyeliminowanie ich negatywnego oddziaływania
na sieć zasilającą. Moc przesunięcia fazowego zależy od
reaktancji źródła zasilania. Moc odkształcenia zakładając,
że napięcie zasilające jest sinusoidalnie zmienne, jest
wyznaczona przez wyższe harmoniczne prądu.
Zasadniczym problemem przy eksploatacji przekształtników jest negatywne oddziaływanie wyższych
harmonicznych prądu, wytwarzanych przez te układy na
system zasilania, objawiające się poprzez dodatkowe
straty energii elektrycznej (rezystancyjne spadki napięcia,
wzrost zjawiska naskórkowości) oraz w odkształceniu
napięcia (spadki napięcia na reaktancji sieci zasilającej),
które mają negatywny wpływ na inne wrażliwe odbiorniki
(systemy informatyczne i komputerowe systemy sterujące) zasilane z tej samej sieci zasilającej. Niesie to za
sobą konieczność stosowania rozwiązań układowych,
minimalizujących liczbę i amplitudę wprowadzanych do
sieci zasilającej harmonicznych. Normy międzynarodowe
określają dopuszczalne wartości współczynnika odkształcenia od przebiegów sinusoidalnych napięć i prądów w
sieciach zasilających. Wynika z nich, że w przypadku bardzo wrażliwych odbiorników współczynnik odkształcenia
nie powinien przekroczyć 3% dla napięcia i 5% dla prądu.
Wyższe harmoniczne powodują zakłócenia elektromagnetyczne, często nawet silne zjawiska rezonansowe. W
ten sposób wpływają ujemnie zarówno na pracę systemów zabezpieczeń, automatyki i sterowania, telemechaniki i łączności, systemów informatycznych, jak i
innych odbiorników energii elektrycznej. W wyniku tego
powstają straty ekonomiczne spowodowane przede
wszystkim zmniejszeniem się niezawodności działania
oraz okresu użytkowania urządzeń [4, 5, 9]. W większości
przypadków można tego uniknąć zmniejszając zawartość
harmonicznych w prądzie sieci do poziomu kilku procent.
Obecnie znamy wiele metod prowadzących do ograniczenia harmonicznych prądów pobieranych z sieci
zasilającej. Ogólnie, są to metody polegające na linearyzacji charakterystyk napięciowo-prądowych odbiorników i na filtracji harmonicznych. Linearyzacja charakterystyk wiąże się z wykorzystaniem przekształtników
pobierających prądy o przebiegu zbliżonym do sinusoidalnego [5, 6]. Normy międzynarodowe (IEEE – 519)
stanowią ostre wymagania dotyczące zawartości wyższych harmonicznych w prądach pobieranych ze źródła
zasilania, jak również dopuszczalnego odkształcenia napięcia, a także współczynnika zawartości wyższych harmonicznych THD (Total Harmonic Distortion). Istnieje
szereg sposobów, dzięki którym można doprowadzić do
minimalizacji lub ograniczenia zawartości wyższych
harmonicznych wytwarzanych przez przekształtniki o
komutacji naturalnej w sieci zasilającej. Jedną z najstarszych metod jest klasyczna metoda polegająca na
zastosowaniu filtrów biernych, natomiast nowoczesnym
rozwiązaniem jest dołączanie filtrów aktywnych lub
1
68
hybrydowych. Innym stosowanym sposobem jest budowa
układów wielopulsowych, realizowana poprzez równoległe lub szeregowe połączenie grup trójfazowych przekształtników mostkowych. Kolejnym sposobem jest stosowanie różnych metod modulacji w obwodzie prądu stałego lub w obwodzie prądu przemiennego, czego wynikiem jest pojawienie się rozwiązań prostowników diodowych i prostowników tyrystorowych z kształtowaniem
sinusoidalnego prądu na wejściu. Ciekawym rozwiązaniem w tym przypadku jest wykorzystanie modulacji
trzecią harmoniczną prądu prądów zasilających prostownik sterowany mostkowy 6T. W klasycznym układzie trójfazowego prostownika sterowanego mostkowego
6T współczynnik zawartości wyższych harmonicznych
prądu THD wynosi ponad 31%, a poprzez modyfikację
polegającą na wstrzykiwaniu prądu trzeciej harmonicznej
do obwodu zmiennoprądowego przekształtnika uzyskuje
się zmniejszenie prądowego współczynnika THD do
poziomu 6%. W artykule przedstawiono układ przekształtnika energoelektronicznego AC/DC o zmniejszonym współczynniku zawartości wyższych harmonicznych prądów źródeł zasilających, a tym samym o
zmniejszonym negatywnym oddziaływaniu na sieć
zasilającą.
Układ Przekształtnika o zmniejszonym
negatywnym oddziaływaniu na sieć zasilającą
Na rys 1. przedstawiono schemat układu 3-fazowego tyrystorowego prostownika sterowanego mostkowego z modulacją trzecią harmoniczną prądu prądów
źródeł zasilających przekształtnik. Poszczególne bloki
oznaczone symbolami A-G oznaczają: A - sieć zasilająca
przekształtnik, B - blok THD, służący pomiaru współczynnika zawartości wyższych harmonicznych prądów, C
- układ dzielnika prądu, służący do podziału trzeciej
harmonicznej prądu na trzy równe części, D - układ
aktywnej generacji prądu trzeciej harmonicznej, E prostownik 3-fazowy tyrystorowy mostkowy 6T, F układ do pomiaru prądu odbiornika zsynchronizowany z
układem aktywnej generacji prądu trzeciej harmonicznej,
G - układ sterujący pracą tyrystorów, zsynchronizowany z
układem aktywnej generacji prądu trzeciej harmonicznej
(wraz ze zmianą kąta wysterowania zmienia się kąt
przesunięcia fazowego prądu trzeciej harmonicznej). Modyfikacja klasycznego układu trójfazowego prostownika
sterowanego mostkowego 6T, polegająca na „wstrzykiwaniu” w obwodzie wejściowym przekształtnika trzeciej harmonicznej prądu, pozwala na uzyskanie „prawie”
sinusoidalnego przebiegu prądów zasilających przekształtnik. Układ generacji prądu trzeciej harmonicznej jest
zsynchronizowany z układem do pomiaru prądu odbiornika. Zgodnie z [5], aby uzyskać zmniejszenie prądowego
współczynnika zawartości wyższych harmonicznych
THD amplituda prądu trzeciej harmonicznej musi mieć
odpowiednią wartość ( uzależnioną od wartości prądu
odbiornika), a także kąt przesunięcia fazowego prądu
trzeciej harmonicznej względem napięcia i kąta
wysterowania tyrystorów w układzie przekształtnika musi
być odpowiednio zmieniany i zsynchronizowany z
układem sterowania tyrystorów. Wraz ze wzrostem kata
wysterowania tyrystorów musi wzrastać kąt przesunięcia
fazowego prądu trzeciej harmonicznej. Badania symulacyjne układu z rys. 1 zrealizowano przy wykorzystaniu
pakietu do symulacji przekształtników energoelektronicznych PSIM v. 7.0.
Rys.1. Schemat układu prostownika sterowanego
mostkowego 6T o zmniejszonym współczynniku THD
Badania symulacyjne przeprowadzono dla układu
przekształtnika z rys. 1. zasilającego odbiornik o mocy 2
kW. Układ jest zasilany trójfazowym napięciem sinusoidalnie zmiennym o amplitudzie napięcia jednej fazy
równym 230 V, prąd płynący przez odbiornik jest równy
3.37 A, amplituda prądu trzeciej harmonicznej wynosi
1.67 A. Aby przestawić pracę układu przekształtnika
pełnosterowanego 6T o małym współczynniku THD prądów zasilających zakładamy, że przekształtnik jest zasilany ze źródła napięcia przemiennego, trójfazowego zgodnie z zależnością (1):
ui = U m sin( ωt + ( i − 1 )
2π
)
3
(1)
gdzie i∈{1,2,3}.
Natomiast prąd pierwszej is1 zgodnie z [4] i przy
uwzględnieniu modulującego prądu trzeciej harmonicznej
można zapisać następująco:

 2 kId sin(3ωt − ϕ )
0 < щt < 30 + α ,
3

15 0 + α < щt < 210 + α ,


is1 = 
330 + α < щt < 360

1
Id − kId sin(3ωt − ϕ )
30 + α < щt < 150 + α ,
3


1
− Id − kId sin(3ωt − ϕ ) 210 + α < щt < 330 + α ,
3

gdzie:
ϕ – przesunięcie między prądem trzeciej harmonicznej a
napięciem,
α – kąt opóźnienia wysterowania tyrystora, liczony od
kata naturalnej komutacji,
k – współczynnik.
Rysunek 2 przedstawia przebieg prądów źródła zasilania
dla kąta wysterowania tyrystora równego 0°.
69
Rys. 2. Przebieg prądów źródła zasilania is1, is2, is3 dla kąta
wysterowania tyrystora równego 0°
Rys. 5. Przebieg prądów źródła zasilania is1, is2, is3 dla kąta
wysterowania tyrystora równego 30°
Przebiegi z rysunku 3. ilustrują przebieg prądu
pierwszej fazy źródła zasilania, prądów tyrystorów T1 i
T4 oraz prąd trzeciej harmonicznej dla kąta wysterowania
tyrystora równego 0°.
Rys. 6. Widmo amplitudowe prądu pierwszej fazy źródła
zasilania is1 dla kąta wysterowania tyrystora równego 30°
Rys. 3. Przebieg prądu pierwszej fazy źródła zasilania, prądu
trzeciej harmonicznej if oraz prądów płynących przez tyrystory
T1 i T4 dla kąta wysterowania tyrystora równego 0°
Rys.7. Przebieg prądu pierwszej fazy źródła zasilania,
prądu trzeciej harmonicznej if oraz prądów płynących
przez tyrystory T1 i T4 dla kąta wysterowania
tyrystora równego 30°
Rys. 4. Widmo amplitudowe prądu pierwszej fazy źródła zasilania
is1 dla kąta wysterowania tyrystora
równego 0°
W spektrum harmonicznych przedstawionym na
rys. 4 widoczne są amplitudy harmonicznych charakterystycznych dla układu klasycznego trójfazowego prostownika sterowanego 6T, ale w tym przypadku ich amplitudy są znacznie mniejsze.
70
W spektrum harmonicznych prądu przedstawionego na rysunku 4 i rysunku 6 widoczne są harmoniczne,
które są charakterystyczne dla przekształtnika trójfazowego prostownika sterowanego mostkowego, a modyfikacja klasycznego układu pozwala na zmniejszenie ich
amplitud, a tym samym na ograniczenie ich negatywnego
oddziaływania na sieć zasilającą. Współczynnik zawartości wyższych harmonicznych prądów THD uzyskany w
wyniku badań symulacyjnych jest równy 5.25%. Porównując ze rysunki 2-7 można zauważyć, że układ przekształtnik tyrystorowy 6T z modulacją trzecią harmoniczna prądu daje możliwość kształtowania prądu wejściowego przekształtnika i pozwala na uzyskanie „prawie”
sinusoidalnie zmiennego kształtu. Zmiany kąta wysterowania tyrystorów nie mają wpływu na wartość współ-
czynnika THD, ponieważ układ aktywnej generacji prądu
trzeciej harmonicznej jest zsynchronizowany z układem
sterującym układem tyrystorów. Wynika z tego, że o ile
zmienia się kąt załączenia tyrystora, o tyle samo zmienia
się kąt przesunięcia prądu trzeciej harmonicznej.
Podsumowanie
Zasadniczo każdy z nieliniowych pojedynczych
odbiorników ma niewielki prąd znamionowy i generuje
małe wartości harmonicznych, ale z powodu tego, że są
one często użytkowane w tym samym czasie przez użytkowników, skumulowany efekt tych wszystkich małych
prądów nie może być pominięty. Negatywny efekt wpływu wyższych harmonicznych prądu to zmniejszenie
zdolności przesyłowych instalacji odbiorczych związane
ze wzrostem wartości obciążenia ponad obciążenie
wynikające z mocy zainstalowanych odbiorników oraz
możliwość powstawania rezonansu. W szczególności
efekt ten można zaobserwować: w instalacjach przemysłowych obciążonych przekształtnikami statycznymi, w
instalacjach biurowych z dużą ilością oświetlenia fluoroscencyjnego, zawierającego kondensatory do poprawy
współczynnika mocy, w instalacjach ze znacznym obciążeniem sprzętem komputerowym.
Prądy pobierane przez przekształtniki energoelektroniczne są mocno odkształcone, (posiadają wysoki
współczynnik THD) i zależą od rodzaju zastosowanych
na wejściu prostowników (ilości pulsów prostownika),
sposobu ich sterowania oraz od rodzaju obciążenia przekształtnika (jego mocy, charakteru, zmienności obciążenia w czasie). Masowo obecnie stosowane w urządzeniach informatycznych i elektronicznych przekształtniki energoelektroniczne są przyczyną odkształcenia
prądu pobieranego przez te urządzenia, a więc są źródłem
wyższych harmonicznych. Obecność harmonicznych powoduje problemy związane nie tylko z eksploatacją sieci
zasilającej, ale również z prawidłowym działaniem urządzeń przyłączonych do tej sieci. Problemy te możemy
podzielić w zależności od rodzaju harmonicznych, i
wyszczególnić obszary, w których są one odczuwalne.
Niekorzystne zjawiska wywołane harmonicznymi prądu
to: przegrzanie przewodów neutralnych; niepożądane zadziałania zabezpieczeń nadprądowych; przegrzanie transformatorów; zjawisko naskórkowości; przeciążenie baterii
kondensatorów do poprawy współczynnika mocy, nieprawidłowe działanie urządzeń.
Prąd trzeciej harmonicznej wprowadzony do strony zmiennoprądowej trójfazowego prostownika sterowanego mostkowego obniża znacznie współczynnik THD
prądów źródeł zasilających, a tym samym zmniejsza
negatywne oddziaływanie tego przekształtnika na sieć
zasilającą. Należy jednak spełnić warunek, aby amplituda
prądu trzeciej harmonicznej zawsze była równa If = 1.5 Id,
a kąt przesunięcia fazowego prądu trzeciej harmonicznej
równy zsynchronizowany z układem sterowania tyrystorów. Przedstawiony układ daje możliwość regulacji
amplitudy prądu trzeciej harmonicznej w zależności od
zmian prądu odbiornika, a tym samym stały i bardzo niski
współczynnik zawartości wyższych harmonicznych THD
prądów źródeł zasilających. W większości przypadków, problemy zniekształceń w sieci zasilającej pojawiają się w zakładach przemysłowych lub u zwykłych
odbiorców. Urządzenia, które najbardziej odczuwają
zakłócenia wywołane wyższymi harmonicznymi w
liniach zasilających to kable energetyczne, a także i
kondensatory służące do kompensacji mocy biernej.
Dla prawidłowej oceny potencjalnego zagrożenia
związanego z nieliniowymi odbiornikami energii elektrycznej należy zwracać uwagę na pomiar rzeczywistej
skutecznej wartości prądu oraz na doraźną kontrolę zniekształceń napięcia i prądu. Pomiary powinny być rejestrowane dla dłuższych okresów czasowych (np. doba,
kilka dni, itp.). Do pomiaru parametrów jakości energii
elektrycznej wykorzystywane są analizatory parametrów
jakości energii elektrycznej, które pozwalają analizować
parametry jakości energii elektrycznej (odkształcenie
napięć i prądów, wahania napięcia, migotanie światła,
itp.).
B a r l i k R . , N o w a k M .: Jakość energii elektrycznej –
stan obecny i perspektywy. Przegląd Elektrotechniczny , nr
7-8 2005,
[2] H a n z e l k a Z .: Rozważania o jakości energii elektrycznej.
Elektroinstalator nr 9/2001- 2/2002
[3] M a l s k a W . Trójfazowy prostownik pełnosterowany
mostkowy 6T o małym współczynniku THD prądów zasilających, MiS - 4 Kościelisko, 19-23 czerwiec 2006
[4] Malska W., Przekstałtnik AC/DC z modulacją trzecią
harmoniczną prądu, rozprawa doktorska, Warszawa – Międzylesie, 2002
[5] Malska W., Supronowicz H.: zgłoszenie w sprawie uzyskania patentu na projekt wynalazczy pt. Prostownik 6pulsowy o poprawionym kształcie prądu wejściowego, nr P
- 355324 , Urząd Patentowy RP, Warszawa 2002
[6] Malska W., Łatka M.: Wpływ odbiorników nieliniowych
na parametry jakości energii elektrycznej, Wiadomości
Elektrotechniczne, nr 10, 2007r.
[7] Naik R., Rastogi M., Mohan N., Third harmonic modulated power elektronics interface with three-phase utility to
provide a regulated DC output and minimize line current
harmonics, IEEE, Transaction on Industry Applications, vol.
31, no3, 1995, p 598-602
[8] Nowak M., Barlik R.: Poradnik inżyniera energoelektronika, WNT, Warszawa 1998
[9] Paice Derek A.: Power electronic converter harmonics,
IEEE Press, New York 1996
[10] Piróg S.: Energoelektronika – negatywne oddziaływanie
układów energoelektronicznych na źródła energii i wybrane
sposoby ich ograniczenia, Uczelniane Wydawnictwo AGH,
Kraków 1998
[11] Strzelecki R., Supronowicz H.: Filtracja harmonicznych w
sieciach zasilających prądu przemiennego, Postępy Napędu
Elektrycznego, 1998
[1]
71