Pełny numer elektro.info 7-8/2017 tylko dla Ciebie [PDF]

wystarczy założyć konto w portalu elektro.info.pl

Kompensacja mocy biernej w środowisku wyższych harmonicznych

Reactive power compensation in a harmonic environment
Model sieci zasilania maszyny z zastępczą mocą czynną odbiorników
80 kW
Model sieci zasilania maszyny z zastępczą mocą czynną odbiorników 80 kW
Rys. M. Żurek-Mortka, J. Szymański

Napędowe przemienniki częstotliwości z pośrednim napięciem stałym są obecnie powszechnie stosowanymi odbiorami energii w lokalnym niskonapięciowym systemie zasilania zakładu. Duże moce dostarczane do napędowych przemienników częstotliwości są przyczyną powstawania harmonicznych prądu, które mogą uniemożliwiać prawidłową pracę powszechnie stosowanych kompensatorów mocy biernej.

W artykule:

• Napędowe przemienniki częstotliwości
• Pasywne kompensatory mocy biernej
• Model i badania symulacyjne systemu zasilania z kompensatorem mocy biernej i kompensatorem harmonicznych napięciowego przemiennika częstotliwości

Duże moce dostarczane do napędowych przemienników częstotliwości są przyczyną powstawania harmonicznych prądu, które mogą uniemożliwiać prawidłową pracę powszechnie stosowanych kompensatorów mocy biernej.

Na rys. 1. przedstawiono schemat blokowy napędowego przemiennika częstotliwości dołączonego do sieci zasilania z równoległym kompensatorem harmonicznych, który zapewnia ograniczenie harmonicznych prądu do wartości THDi = 10% [1].

Współczynnik zawartości harmonicznych THDi w prądzie fazowym jest zdefiniowany jak w równaniu (1).

  (1)

gdzie:

I1 – harmoniczna podstawowa prądu fazowego transformatora (odpowiada za przenoszenie mocy czynnej do obciążenia),
Ik – kolejne harmoniczne prądu fazowego transformatora (odpowiadają za przenoszenie mocy odkształconej). W obwodach trójfazowych z 6-diodowymi prostownikami wejściowymi napędowych przemienników częstotliwości występują jedynie harmoniczne kolejności nieparzystej i niepodzielnej przez 3.

Przekształtnik zawiera dołączony równolegle do toru zasilania napięciem przemiennym filtr rezonansowy harmonicznej: 5., 7. i 11. Filtr jest aktywowany zadaną wartością prądu obciążenia przekształtnika DC/AC, gdy zostanie przekroczona dopuszczalna wartość współczynnika odkształcenia napięcia transformatora THDv. Współczynnik zawartości harmonicznych THDv w napięciu fazowym jest zdefiniowany jak w równaniu (2):

(2)

gdzie:

U1 – harmoniczna podstawowa napięcia fazowego (międzyfazowego) transformatora (odpowiada za przenoszenie mocy czynnej do obciążenia),
Uk – kolejne harmoniczne napięcia fazowego (międzyfazowego) transformatora (odpowiadają za przenoszenie mocy odkształconej). W obwodach trójfazowych z 6-diodowymi prostownikami wejściowymi występują jedynie harmoniczne kolejności nieparzystej i niepodzielnej przez 3.

Rys. 1. Napędowy przemiennik częstotliwości z kompensatorem harmonicznych umożliwiającym sterowanie wartością harmonicznych prądu wprowadzanych do przemysłowej sieci napięcia przemiennego; rys. M. Żurek-Mortka, J. Szymański
Rys. 1. Napędowy przemiennik częstotliwości z kompensatorem harmonicznych umożliwiającym sterowanie wartością harmonicznych prądu wprowadzanych do przemysłowej sieci napięcia przemiennego; rys. M. Żurek-Mortka, J. Szymański

Aktywowanie pracy filtra jest tu uzależnione od zawartości harmonicznych w napięciu transformatora energetycznego. Indywidualny kompensator harmonicznych (filtr rezonansowy) jest włączany do systemu zasilania okresowo. Można także aktywować pracę filtra, gdy wymagane poprawienie warunków pracy centralnego pojemnościowego kompensatora mocy biernej i nie jest aktywny napędowy przemiennik częstotliwości.

Zwykle transformator energetyczny zasila oprócz nieliniowego przekształtnika napędowego także inne liniowe i nieliniowe odbiory energii elektrycznej, takie jak: układy ogrzewania, układy pompowe, układy klimatyzacji, układy chłodzenia, oświetlenia i inne.

Uzależnienie aktywowania pracy filtra od wartości współczynnika THDu napięcia transformatora jest tu istotne ze względu na oddziaływanie zawartości harmonicznych prądu w całkowitym prądzie transformatora na odkształcenia napięcia. Odkształcone napięcie transformatora powoduje przeciążanie centralnego kompensatora mocy biernej prądami harmonicznych przepływającymi przez ten kompensator.

Odkształcone napięcie transformatora (mierzone współczynnikiem zawartości harmonicznych napięcia THDu) powoduje występowanie niepożądanych prądów harmonicznych w całej sieci zasilanej z tego transformatora. Nadmiernie odkształcone napięcia transformatora powodują nieprawidłowe działanie styczników, sterowników PLC i innych urządzeń AKPiA, co zagraża bezpieczeństwu lokalnego systemu elektroenergetycznego zakładu przemysłowego.

Czytaj też: Kompensacja mocy biernej układów z asymetrią prądową >>

Przekształtnik napędowy przedstawiony na rys. 1. jest dostosowany do zasilania hybrydowego z dodatkowej sieci napięcia stałego DC. Przekształtnik z rys. 1. można zasilać wymiennie z przemysłowej sieci napięcia przemiennego AC lub sieci napięcia stałego DC. Do sieci napięcia stałego DC energia jest dostarczana ze źródeł czystej energii (OZE: np. elektrownie słoneczne i wiatrowe) lub zasobników energii elektrycznej (np. baterii klasycznych, VRLA lub baterii litowo-jonowych czy hydroelektrowni).

Stosowanie hybrydyzacji zasilania „czystą energią” przekształtników napędowych poprzez stosowanie wydzielonych lokalnych sieci napięcia stałego DC, zdecydowanie odciąża przemysłową sieć napięcia przemiennego od występowania harmonicznych i okresowego poboru dużych mocy przez przekształtniki napędowe. Przykładowo agregaty chłodnicze można zasilać hybrydowo energią słoneczną, co powoduje odciążenie systemu energetycznego w godzinach szczytowego obciążenia. Dodatkowo energia słoneczna jest źródłem zeroemisyjnym, gdyż nie jest wytwarzany dwutlenek węgla przy produkcji energii elektrycznej modułami fotowoltaicznymi.

Okresowo zmienne obciążenie przekształtników napędowych wskazuje, że przekształtniki napędowe należy doposażać w indywidualne kompensatory harmonicznych, które będą dołączane lub odłączane od sieci zasilania zależnie od stanu obciążenia przekształtnika napędowego maszyny roboczej. Zmniejszenie poboru prądu transformatora poprzez wyeliminowanie harmonicznych ma także istotne znaczenie dla poprawy sprawności systemu napędowego. Prąd fazowy transformatora w środowisku harmonicznych jest opisany równaniem (3):

(3)

Z równania (3) wynika, że dla THDi = 0 prąd skuteczny transformatora Irms jest równy wartości harmonicznej podstawowej I1, natomiast przy zwiększonej zawartości harmonicznych prądu następuje powiększenie wartości skutecznej prądu transformatora w stosunku do podstawowej harmonicznej i wtedy przykładowo dla THDi = 45% to Irms= 110%I1. Natomiast przy przewymiarowanym przekształtniku (niedociążonym), gdzie THDi = 90% to Irms= 135%I1.

Rys. 2. Dławiki AC (rys. a) i DC (rys. b) stosowane w prostownikowym układzie przekształtników AC/DC/DC do ograniczania harmonicznych prądu; rys. M. Żurek-Mortka, J. Szymański

Na rys. 2a przedstawiono schemat elektryczny prostowania 6-pulsowego z zewnętrznymi dławikami Lac do ograniczania zawartości harmonicznych prądu, zwykle są tu stosowane dławiki powodujące spadek napięcia fazowego do 3–4% dla nominalnego prądu prostownika [2].

Alternatywnym rozwiązaniem jest stosowanie dławików po stronie DC prostowania Ldc, jak przedstawiono na rys. 2b. Umieszczenie dławików po stronie stałonapięciowej prostownika nie powoduje spadku napięcia wyprostowanego prostownikiem diodowym na baterii kondensatorów. Dławiki AC lub DC mają zbliżoną wartość indukcyjności. Indukcyjność dławików jest odwrotnie proporcjonalna do mocy prostownika.

Tab. 1. Przybliżone wartości pojemności baterii <strong>C<sub>dc</sub>, rezystancji rezystora wstępnego ładowania R<sub>wl</sub></strong> i indukcyjności L0 dławików DC (lub AC) w prostownikach wejściowych przekształtników napędowych obciążonych mocą czynną odpowiednio: 5,5 kW, 55 kW i 550 kW
Tab. 1. Przybliżone wartości pojemności baterii <strong>C<sub>dc</sub>, rezystancji rezystora wstępnego ładowania R<sub>wl</sub></strong> i indukcyjności L0 dławików DC (lub AC) w prostownikach wejściowych przekształtników napędowych obciążonych mocą czynną odpowiednio: 5,5 kW, 55 kW i 550 kW

Porównanie wartości głównych elementów prostowników przekształtników napędowych o mocach 5,5 kW, 55 kW i 550 kW zasilanych z sieci niskonapięciowej przedstawiono w tab. 1. Wynika z niej, że jest proporcjonalna zależność między mocą czynną obciążenia prostowania PR i pojemnością baterii kondensatorów Coraz odwrotnie proporcjonalne są wartości rezystora wstępnego ładowania baterii kondensatorów Rpr i indukcyjności dławików Ldc.

Zgodnie z rys. 2. indukcyjność fazowego dławika Lac (rys. 2a) jest równa wartości dławika Ldc (rys. 2b). Dławiki DC są ­symetrycznie umieszczone w dodatniej i ujemnej gałęzi napięcia stałego prostownika, co powoduje symetrię napięciową względem uziemienia transformatora energetycznego. Zastosowane dławiki DC L0(4%) ograniczają zawartość harmonicznych w prądzie fazowym zasilania napędowego przemiennika częstotliwości (przekształtnika napędowego) do wartości THDi = 42% [3].

Dalsze zmniejszenie wartości THDi jest możliwe przez stosowanie opcjonalnych filtrów harmonicznych niskich rzędów, np. filtrów rezonansowych 5., 7., i 11. harmonicznej dla prostowników trójfazowych 6-pulsowych jak na rys. 1. W artykule wykazano, że można wyeliminować przepływ prądów harmonicznych przez centralny pojemnościowy kompensator mocy biernej poprzez stosowanie indywidualnych kompensatorów harmonicznych prądu dla napędowych przemienników częstotliwości.

Można praktycznie wyeliminować odkształcenia napięć transformatora przy stosowaniu kompensatorów harmonicznych z filtrami rezonansowymi, które są skojarzone z napędowymi przemiennikami częstotliwości. Dołączanie indywidualnego (dla przekształtnika napędowego) kompensatora harmonicznych do sieci zasilania można sterować wartością prądu obciążenia przekształtnika napędowego.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!


[jakość energii elektrycznej, kompensacja mocy biernej, wyższe harmoniczne, model rezonansowy, kompensator harmonicznych prądu, pojemnościowy kompensator mocy biernej]

Artykuł pochodzi z: miesięcznika elektro.info 10/2018

Komentarze

(0)

Wybrane dla Ciebie

Poradnik inżyniera elektryka. Komplet 3 tomów »

Poradnik inżyniera elektryka Poradnik jest przeznaczony przede wszystkim dla inżynierów elektryków. Mogą z niego korzystać również inżynierowie innych specjalności oraz studenci wydziałów elektrycznych i energetycznych wyższych szkół technicznych(...) czytam dalej »


Czy istnieje niezniszczalna oprawa LED?

Jaki jest najlepszy hermetyk na rynku »

Niezniszczalne oprawy LED Ebook
Oprawy, które łączą w sobie zalety źródeł światła LED z nowoczesnymi systemami optycznymi. Źródła LED o dużej wydajności świetlnej, wytwarzają oświetlenie o bezprecedensowej (...) zobacz więcej  » Dzięki wprowadzonym rozwiązaniom konstrukcyjnym oprawa charakteryzuje się szczelnością oprawy IP66. Podstawa i klosz wykonany z poliwęglanu zapewnia oprawie wysoki stopień odporności na uderzenia IK09.
(...)
czytam dalej »

System zarządzania energią EMS CX3 »

System zarządzania energią EMS CX3 składa się z urządzeń o niezwykle kompaktowej budowie modułowej, które w łatwy sposób można zainstalować zarówno w nowopowstających instalacjach jak i już istniejących, w jednym rzędzie rozdzielnicy elektrycznej z innymi aparatami (...) czytam dalej »


Konkurs z nagrodami dla elektryków! Zobacz które miejsce zdobędziesz »

Przewody elektryczne i kable spełniające normy CPR »

Konkurs dla elektryków - liga specjalistów Kable przeowdy lapp
Jesteś specjalistą z branży elektrycznej lub teletechnicznej?
Weź udział w pierszej edycji Ligi Specjalistów i poczuj emocje związane z rywalizacją w konkursie! Zaglądaj na stronę ligaspecjalistow.pl i odpowiadaj na pytania ze swojej branży.  
zobacz konkurs »
Nieposiadanie Deklaracji Własności Użytkowych na kabel lub przewód jako wyrób budowlany oznacza brak możliwości wprowadzenia go na rynek Unii Europejskiej jako wyrób budowlany, a w konsekwencji niemożliwość (...) czytam dalej »


Kable średniego i niskiego napięcia - wymagania standardów międzynarodowych»

Zobacz nowości na ELEKTROTECHNIKA 2019 »

PRzewody i kable standardy Ochrona przepięciowa systemów alarmowych
Szeroki asortyment przewodów i kabli produkowanych zgodnie z wymaganiami restrykcyjnych standardów międzynarodowych(...) czytam dalej » Targi ELEKTROTECHNIKA skierowane są do producentów i użytkowników sprzętu niskiego, średniego i wysokiego napięcia oraz systemów alarmowych i rozwiązań umożliwiających instalację przewodów elektrycznych w nowoczesnych budynkach. Równolegle odbędą się Targi ŚWIATŁO oraz Wystawa TELETECHNIKA..(...) czytam dalej »

Stacje ładowania pojazdów od Kolejowych Zakładów Łączności ?

UPS zasilacze Stacja umożliwia szybkie ładowanie prądem zmiennym o mocy do 22 kW (opcjonalnie 44 kW). Wyposażona jest w dwa gniazda osobno opomiarowane (...) czytam dalej »


Jak komunikować urządzenia w środowisku przemysłowym ??

Projektowanie skomplikowanych etykiet w terenie przy pomocy smartfona »

Switche zarządzalne Drukowanie etykiet ze smartfona
Switche niezarządzalne są to urządzenia, które mają za zadanie przekazywanie danych między urządzeniami w wymagającym środowisku przemysłowym. Ich zadaniem jest zapewnienie przede wszystkim stabilnej, jak również wydajnej komunikacji.(...) czytam dalej » Dzięki zainstalowaniu na dowolnym smartfonie naszej aplikacji Etykiety ekspresowe możesz projektować nawet najbardziej skomplikowane etykiety z kodami 1D, 2D i kodami kreskowymi czy etykiety seryjne korzystając (...) czytam dalej »

Nowe rozwiązania w dziedzinie zasilania gwarantowanego »

Jaką rozdzielnicę nn wybrać do projektu?

Zasilanie gwarantowane Co sie stało z kablami
Samochody elektryczne stają się coraz bardziej popularne. Jednak ich żywot jest uzależniony od stacji ładowania. Stacja ładowania to urządzenie elektryczne, które(...) czytam dalej » Wszelkie błędy popełnione na etapie projektowania, wykonawstwa i eksploatacji nawarstwiają się latami, stopniowo pro­wadząc do wydłużenia czasu poświęcanego na administrację systemu, zmniejszając pewność jego działania i tym samym (...) czytam dalej »

prof. nadzw. dr hab. inż. Jerzy R. Szymański
prof. nadzw. dr hab. inż. Jerzy R. Szymański
Tytuł doktora uzyskał w 1988 r. na Wydziale Elektrycznym Politechniki Warszawskiej . W tej chwili jest adiunktem w Zakładzie Napędów Elektrycznych i Elektroniki Przemysłowej na Wydziale Transportu i... więcej »
mgr inż. Marta  Żurek-Mortka
mgr inż. Marta  Żurek-Mortka
Uniwersytet Technologiczno-Humanistyczny w Radomiu więcej »
Dodaj komentarz
Nie jesteś zalogowany - zaloguj się lub załóż konto. Dzięki temu uzysksz możliwość obserwowania swoich komentarzy oraz dostęp do treści i możliwości dostępnych tylko dla zarejestrowanych użytkowników naszego portalu... dowiedz się więcej »
1-2/2019

AKTUALNY NUMER:

elektro.info 1-2/2019
W miesięczniku m.in.:
  • - Projekt zasilania transformatorów elektromedycznych bloku operacyjnego szpitala
  • - Zasady wprowadzania do obrotu i stosowania urządzeń przeciwpożarowych
Zobacz szczegóły

Badanie oświetlenia

W 2017 roku krakowska firma DASL System wydała książkę pt. „Badanie oświetlenia” autorstwa Mateusza Filipka oraz Jarosława Cyryngera, specjalistów z zakresu oświetlenia elektrycznego....

Nożyczki dla elektryków

Skrzynka narzędziowa każdego elektryka powinna zawierać przyrządy do cięcia. Szczególnie polecamy uniwersalny model nożyczek firmy Knipex 95 05 10 SB.
Elastycznie i bezpiecznie

Elastycznie i bezpiecznie

Systematycznie rozbudowujące się systemy instalacji elektrycznych powodują, że szukamy nowych rozwiązań w zakresie bezpiecznego prowadzenia tras kablowych.
ZPAS ZPAS
ZPAS z siedzibą w Przygórzu to lider produkcji szaf i obudów teleinformatycznych, energetycznych i automatyki oraz kompleksowych rozwiązań...
Dom Wydawniczy MEDIUM Rzetelna Firma
Copyright @ 2004-2012 Grupa MEDIUM Spółka z ograniczoną odpowiedzialnością Spółka komandytowa, nr KRS: 0000537655. Wszelkie prawa, w tym Autora, Wydawcy i Producenta bazy danych zastrzeżone. Jakiekolwiek dalsze rozpowszechnianie artykułów zabronione. Korzystanie z serwisu i zamieszczonych w nim utworów i danych wyłącznie na zasadach określonych w Zasadach korzystania z serwisu.
realizacja i CMS: omnia.pl