Calitatea energiei si compatibilitate electromagnetica

CALITATEA ENERGIEI SI COMPATIBILITATE ELECTROMAGNETICA

1. Indicatori de calitate a energiei electrice (3 indicatori la alegere)

Clasificarea echipamentelor din punct de vedere al limitelor armonicilor de curent

Armonici generate de SA cu Mcc- particularitati functionale, formele de unda ale curentului in primar si secundar cu referire la distorsiunea armonicii, influenta comutatiei si inductivitatii de de filtrare

4. Calitatea energiei MAS si CSTF - cazul redresorului monofazat

5. Filtre active - principiu,clasificare, la filtrul paralel schema si comanda

1. Indicatori de calitate a energiei electrice (3 indicatori la alegere)

Calitatea energiei electrice este influentata atat de furnizor cat si de consumatori. In acest sens, indicatorii de calitate pot fi impartiti in indicatori primari, care depind in primul rand de furnizorul de energie si indicatori secundari, care sunt influentati, in principal, de functionarea consumatorilor.

In categoria indicatorilor primari de calitate intra:

frecventa;

amplitudinea tensiunii pe barele de alimentare;

fluctuatiile de tensiune (limitate prin sistemele de protectie din retea);

supratensiuni si goluri de tensiune, limitate de functionarea protectiei prin relee

intreruperile de scurta si lunga durata care definesc un parametru de calitate al serviciilor de alimentare cu energie electrica stabilit de furnizor impreuna cu consumatorul.

1. Frecventa tensiunii de alimentare

Frecventa retelei de distributie este direct determinata de viteza de rotatie a generatoarelor din centralele electrice. La un moment dat, frecventa depinde de echilibrul dinamic al puterii generate si al celei consumate. In consecinta, la modificarea acestui echilibru dinamic, are loc si o variatie a frecventei. Marimea si durata acestei variatii depinde de modul in care se schimba sarcina si de capacitatea sistemului de generare a energiei de a se adapta la aceasta schimbare. Atunci cand alimentarea retelei se face de la un invertor, frecventa este fixa deoarece este data de un circuit intern al acestuia.

Frecventa retelei publice de distributie a energiei electrice este corespunzatoare daca valoarea sa este cuprinsa intr-o mica banda in jurul valorii nominale indicata de producator (50 Hz sau 60 Hz). Variatiile frecventei tensiunii retelei de alimentare, sunt garantate de catre producatori, de regula la 0,5 Hz in jurul valorii nominale.

Surse ale variatiilor frecventei

Capacitatea de productie a sistemului care alimenteaza reteaua de distributie este excedentara capacitati de consum, tocmai pentru a permite mentinerea frecventei in plaja dorita. Cu toate acestea pot sa apara situatii deosebite cand, un numar important de unitati de producere sau de consumatori, dispar si drept urmare, frecventa iese din plaja permisa. In acest caz, o serie de consumatori sau de unitati de producere trebuie, automat sau manual, deconectati, pentru a restabili echilibrul puterilor cat mai repede posibil. De asemenea, motoarele electrice neprevazute cu reglaj de viteza, vor functiona la putere mai mica si la frecventa mai mica. Astfel, deficitul de putere produsa este compensat prin reducerea consumului.

Efectele variatiei frecventei

Daca valorile frecventei raman in limitele permise, principalele efecte ale variatiilor de frecventa se manifesta in modificarea puterii si vitezei de rotatie a motoarelor electrice asincrone si sincrone. Marimea si sensul modificarii depind de caracteristica cuplului static. In acelasi timp, ceasurile electrice (pilotate de frecventa retelei) vor ramane in urma sau o vor lua inainte, dupa cum frecventa este mai mica sau mai mare decat valoarea nominala. De asemenea, variatiile frecventei afecteaza buna functionare a filtrelor de armonici. 

Amplitudinea tensiunii pe barele de alimentare

Variatiile lente de tensiune se datoreaza in special caderilor de tensiune pe linii si in transformatoare si pot fi periodice, cu ciclu zilnic sau saptamanal, sau aleatoare. La randul lor, caderile de tensiune depind de circulatia de puteri si/sau topologia retelei electrice in functiune, precum si modificarii periodice a puterilor absorbite de consumatori. Principalii indici ce caracterizeaza abaterile de tensiune se definesc si se aplica, si in functie de particularitatile sarcinii.

1. Abaterea procentuala a tensiunii de serviciu U_s, intr-un anumit punct si la un moment dat, fata de tensiunea nominala U_N:

(1. )

Conform normelor in vigoare in Romania, abaterile procentuale admisibile ale tensiunii de serviciu in punctele de livrare, pentru retelele avand tensiunile sub 220 kV nu trebuie sa depaseasca Pentru tensiuni nominale peste 220 kV abaterile de tensiune nu sunt standardizate.

Abaterile admisibile la bornele receptoarelor electrice, se stabilesc prin standarde proprii fiecarei categorii de receptoare, acestea fiind cuprinse in general in intervalul (5 10 )

Abaterea de tensiune DU nu poate caracteriza complet regimul de tensiune intr-o retea, mai ales, in cazul unor receptoare ale caror performante depind pronuntat de nivelul tensiunii. Astfel, este necesara utilizarea unor indicatori suplimentari ai calitatii tensiunii.

2. Valoarea medie a abaterii tensiunii fata de tensiunea nominala intr-un interval T:

. (1. )

Acest indicator fixeaza nivelul mediu al tensiunii si da indicatii asupra corectitudinii alegerii treptei de reglaj a transformatorului.

Gradul de iregularitate sau abaterea medie patratica:

(1. )

Indicatorul caracterizeaza mai complet regimul de tensiune considerandu-se urmatoarele limite de apreciere a calitatii tensiunii:

e < 10 (%) - foarte buna;

e = 20 (%) - buna;

e = 50 (%) - mediocra;

e > 100 (%) - necorespunzatoare;

4. Abaterea tip a functiei de repartitie a tensiunilor

(1. )

Permite sa se determine timpul cat tensiunea dintr-un punct depaseste anumite limite.

Variatiile de tensiune au influente, in general nefavorabile, asupra functionarii receptoarelor electrice, in deosebi, asupra motoarelor asincrone

Supratensiuni

O clasificare generala a supratensiunilor se poate face dupa durata acestora, existand:

1. supratensiuni de durata;

2. supratensiuni temporare;

3. supratensiuni interne;

4. supratensiuni atmosferice.

Pentru cuantificarea supratensiunilor sunt utilizati trei indici.

1. Coeficientul de supratensiune,

(1.

2. Coeficientul de supratensiune care caracterizeaza valoarea relativa a supratensiunilor de durata,

(1.

3. Coeficientul de soc,

(1.

In relatiile (1.8)-(1.10) intervin marimile:

U_max - amplitudinea supratensiunii;

U_f - amplitudinea tensiunii pe faza;

U_per - valoarea eficace a supratensiunii de durata.

Goluri de tensiune si intreruperi scurte ale alimentarii

Golul de tensiune este definit ca fiind scaderea amplitudinii sau a valorii eficace a tensiunii unei retele electrice intr-un anumit punct al acesteia, cuprinsa intre o valoare minim sesizabila (10 U_N) si valoarea nominala, care are o durata de cel mult 3 sec. Intreruperile scurte ale alimentarii constau in disparitia tensiunii pentru o perioada de timp care nu depaseste 1 minut. Astfel, intreruperile scurte pot fi considerate ca si goluri de tensiune de 100% si durata precizata mai sus. Golurile de tensiune pot avea forma treapta sau forme mai complexe. Se definesc patru indicatori principali privind golurile de tensiune.

Amplitudinea golului,

, (1. )

unde U_f este valoarea reziduala a tensiunii pe faza (valoarea minima pe durata golului), iar U_N este valoarea nominala a tensiunii.

2. Tensiunea reziduala relativa de faza a golului

(1. )

3. Durata golului de tensiune

(1. )

unde t_i , t_f sunt momentele initial si final ale golului de tensiune, in secunde.

Duratele mai mici decat o semiperioada nu sunt considerate deoarece variatiile de tensiune cu o astfel de durata sunt caracteristice retelelor de curent alternativ.

4. Frecventa de aparitie a golurilor

(1. )

unde: N_g este numarul de goluri de tensiune care apar in timpul de referinta T_r.

Este important de subliniat ca golurile de tensiune nu pot fi, in totalitate, evitate si ca, pentru cele mai multe echipamente si aparate ele sunt acceptabile. Amplitudinea si durata golurilor nu pot fi limitate intr-o retea, din punct de vedere practic, deoarece pot apare goluri de orice amplitudine in intervalul (10%-100%)U_N si cu orice durata mai mare de o semiperioada. Ceea ce se poate stabili pentru o retea data, este rata de aparitie a golurilor, cu amplitudini si durate continute in intervale date. De subliniat ca, nu este necesar ca amplitudinile golurilor sa fie aceleasi pe cele trei faze.

Cauze ale golurilor de tensiune

Golurile de tensiune sunt datorate socurilor de putere sau modificarilor bruste si trecatoare ale impedantelor transversale ale retelei, ca urmare a unor scurtcircuite. Concret, ele apar la comutarea curentilor foarte mari sau la functionarea si reanclansarea echipamentelor de protectie.

2. Clasificarea echipamentelor din punct de vedere al limitelor armonicilor de curent

Din punct de vedere al nivelului curentilor armonici echipamentele consumatoare de energie electrica se clasifica in patru clase.

Clasa A care cuprinde toate echipamentele trifazate echilibrate si orice alte echipamente care nu sunt incluse in clasele urmatoare.

Clasa B care cuprinde echipamentele portabile.

Clasa C care cuprinde echipamentele de iluminat, inclusiv dispozitivele de reglare a intensitatii luminii.

Clasa D care cuprinde echipamentele al caror curent de intrare are "forma de unda speciala" (PC, monitor, TV), iar puterea activa absorbita, masurata in conditii de test precizate, este in intervalul 75 - 600 W.

Se precizeaza ca, indiferent de forma de unda a curentului de intrare, unele echipamente din clasele B si C si, provizoriu, echipamentele pentru alimentarea motoarelor electrice, comandate in faza (redresoare si cicloconvertoare), nu sunt incluse in clasa D.

Pentru a determina daca un echipament se incadreaza in clasa D, poate fi utilizata forma de unda a curentului din fig. 3.1.

Astfel, echipamentul va fi incadrat in Clasa D daca, in conditii de test precizate, forma de unda a curentului absorbit pe fiecare semiperioada, prin raportare la valoarea de varf i_pk, determina valori cuprinse in intervalele din fig. 3.1, pentru cel putin 95% din durata fiecarei semiperioade. Aceasta inseamna ca, formele de unda avand mici varfuri in afara intervalelor precizate in fig. 3.1, sunt neglijate, considerandu-se ca apartin intervalelor precizate. In fig. 3.1, linia punctata coincide cu valoarea de varf a curentului de intrare.

3. Armonici generate de SA cu Mcc- particularitati functionale, formele de unda ale curentului in primar si secundar cu referire la distorsiunea armonicii, influenta comutatiei si inductivitatii de de filtrare

Structura si particularitatile de functionare

Sistemele de actionare cu motoare de curent continuu si redresoare comandate constituie o sursa importanta de poluare armonica, atat prin prisma raspandirii lor, cat si prin armonicile generate.

Forma de unda a curentului la intrarea redresorului depinde de conexiunea transformatorului utilizat, de pulsatiile curentului de sarcina si de inductivitatea de comutatie.

Dispozitivul de comanda a tiristoarelor pe grila (DCG) primeste la intrare tensiunea continua u_c si furnizeaza, la iesire, sase semnalele de comanda intarziate fata de punctul comutatiei naturale cu unghiul de comanda a Se stie ca:

punctul de comutatie naturala este defazat cu fata de trecerea prin zero a tensiunii ce se redreseaza, unde p reprezinta numarul de pulsuri redresate intr-o perioada (6 - pentru redresorul trifazat in punte);

fiecare tiristor este comandat la momentul daca originea timpului coincide cu trecerea prin zero a tensiunii ce se redreseaza;

in regim de curent neintrerupt, fiecare tiristor conduce radiani intr-o perioada;

curentul pe faza "a" a secundarului transformatorului de alimentare este dat de

; (4.1)

daca se considera inductivitatea de filtrare de valoare infinita, curentul prin motor, in regim stationar, la sarcina si excitatie constante, este constant si egal cu valoarea sa medie, respectiv i_d I_d;

daca se neglijeaza comutatia, curentul pe o faza a secundarului transformatorului este dreptunghiular, alternativ si simetric (Fig. 4.2).

Influenta comutatiei

Din cauza inductivitatilor de pe fazele care comuta, curentul prin transformator nu poate varia in salt si, in consecinta, se va departa de la forma de unda dreptunghiulara, cu atat mai mult cu cat inductivitatea de pe fiecare faza este mai mare. Considerand procesul de comutatie generat de comanda tiristorului T₁, se va analiza procesul de comutare a curentului, de pe faza "c" pe faza "a".

Schema echivalenta (Fig. 4.5) pune in evidenta inductivitatile de comutatie, care reprezinta, pentru fiecare faza, inductivitatea de dispersie, totala, raportata la secundar [17].

Teoremele lui Kirchhoff pe circuitul reprezentat de schema echivalenta conduc la [7]:

(4.9)

Considerand curentul I_d constant, si luand ca origine a timpului momentul inceperii comutatiei, se obtine variatia curentului prin faza "a" cand acesta creste de la zero la I_d sau descreste de la zero la -I_d [17].

(4.10)

Cand curentul evolueaza spre zero, respectiv tiristorul de pe faza corespunzatoare se dezamorseaza, variatia este data de;

(4.11)

Expresiile curentilor sunt valabile pe durata comutatiei, respectiv a unghiului de comutatie , cand intregul curent de pe faza "c" este preluat de faza "a", respectiv:

(4.12)

Se obtine

(4.13)

care contine dependenta dintre unghiul de comutatie, unghiul de comanda si curentul de sarcina.

Aceasta se pune sub forma [17]:

, (4.14)

care pune in evidenta tensiunea relativa de scurtcircuit a transformatorului.

Influenta valorii limitate a inductivitatii de filtrare

Din cauza valorii finite a inductivitatii de filtrare si caracterului pulsatoriu al tensiunii redresate, curentul prin motor nu este constant, chiar daca valoarea medie a tensiunii de alimentare si cuplul static sunt constante [53]. Rezulta ca, in realitate, forma de unda a curentului prin secundarul transformatorului se departeaza de variatia din Fig. 3.6, cu atat mai mult, cu cat inductivitatea de filtrare este mai mica, respectiv pulsatiile curentului sunt mai mari.

4. Calitatea energiei MAS si CSTF - cazul redresorului monofazat

Analiza energetica ofera argumente suplimentare privind dimensionarea filtrului si permite caracterizarea completa a functionarii. Asa cum se va vedea, considerarea numai a pulsatiilor este insuficienta si neeconomica. Pentru analiza energetica se utilizeaza indicii de performanta definiti in § 1.4. Datorita formelor de unda puternic distorsionate, marimile care intervin in relatiile de definitie ale acestora nu pot fi calculate analitic. Mediul de programare SIMULINK ofera mijloacele necesare pentru obtinerea tuturor datelor si prelucrarea acestora.

Dependentele indicilor energetici de performanta, de valorile elementelor filtrului, releva aspecte utile si interesante.

1. Factorul de distorsiune a curentului variaza putin cu capacitatea (fig.5.15a) si scade rapid cu cresterea inductivitatii (fig. 5.15b). El ramane la valori importante, de aproximativ 40%, chiar la valori mari ale inductivitatii.

2. Aspecte similare se constata cu factorul de distorsiune a tensiunii din secundarul transformatorului de alimentare (fig. 5.16). Se remarca valorile mult mai mici ale acestuia, valori cuprinse intre 14% si 4%.

3. Coeficientul puterii reziduale deformante are alura asemanatoare cu cea a factorului de distorsiune a curentului, ilustrand corelatia calitativa cu acesta. Valorile sale sunt cuprinse intre 35% si 70% (fig. 5.17).

4. Defazajul dintre fundamentalele tensiunii si curentului din secundarul transformatorului scade rapid cu inductivitatea (fig. 5.18b) si depinde putin de capacitate (fig. 5.18a). Pentru capacitati relative mai mari de 15, defazajul dintre fundamentalele tensiunii si curentului din secundarul transformatorului este, practic, constant. Valorile sale sunt cuprinse intre -0.63 si zero.

5. Factorul de putere global are cea mai interesanta variatie, cu implicatii practice deosebite. Astfel, el are un maxim in functie de capacitate, dar numai la valori reduse ale inductivitatii (sub 0.02), maxim ce se atinge la valori, de asemenea reduse ale capacitatii (fig. 5.19a).

Cum atat inductivitatea cat si capacitatea trebuie sa fie mai mari (pentru limitarea pulsatiilor), rezulta ca, practic, factorul de putere global scade cu capacitatea. In functie de inductivitate, factorul de putere global are totdeauna un maxim (fig. 5.19b). Acesta este cu atat mai mare cu cat capacitatea este mai mica, si corespunde la inductivitate mai mare, de asemenea, cu cat capacitatea este mai mica. Pentru toate valorile capacitatii, factorul de putere global scade rapid daca inductivitatea este mai mica decat cea corespunzatoare maximului si scade lent daca inductivitatea este mai mare. Implicatiile de ordin energetic sunt imediate si importante. Rezulta, astfel, posibilitatea de dimensionare a filtrului pentru maximizarea factorului de putere. Pentru aceasta, se pot utiliza dependentele factorului de putere maxim, inductantei optime si pulsatiilor tensiunii la intrarea invertorului, in functie de capacitatea relativa (fig. 5.20).

Se remarca cateva aspecte utile.

1. Pentru capacitati de peste 15, pulsatiile tensiunii sunt sub 10%.

2. Pentru reducerea pulsatiilor la circa 5%, este necesara cresterea capacitatii la 25, dar factorul de putere maxim scade cu numai 0.6%.

3. Pentru c=60, pulsatiile tensiunii sunt de 2.6%, iar diminuarea factorului de putere maxim este de 1%.

Rezulta ca, importanta este mentinerea corelatiei intre inductivitate si capacitate, pentru a se obtine maximizarea factorului de putere global. Este suficient sa se impuna valoarea pulsatiilor si rezulta, univoc, valorile capacitatii si inductivitatii, care realizeaza atat limitarea pulsatiilor tensiunii la intrarea in invertor, cat si maximizarea factorului de putere.

5. Filtre active - principiu,clasificare, la filtrul paralel schema si comanda

Principiul de functionare

Filtrele active sunt convertoare statice bidirectionale atat in curent, cat si in tensiune, realizate cu elemente semiconductoare de putere rapide si comandate astfel incat sa absoarba din retea armonicile ce trebuie eliminate.

Exista mai multe modalitati de a calcula curentul ce trebuie realizat de filtrul activ, dar toate urmaresc obtinerea in reteaua de alimentare a unui curent cat mai apropiat de o sinusoida. Pentru acesta, din curentul de sarcina sunt extrase componentele armonice pe care trebuie sa le compenseze filtrul. In plus, exista posibilitatea de a comanda si faza curentului si, in consecinta, de a realiza si o compensare a puterii reactive.

Datorita obiectivului lor particular, de imbunatatire a formei de unda a curentului si nu de comanda a puterii transferate, in literatura de limba engleza, filtrele active au fost numite "Active Harmonics Conditioners" (AHC).

In practica exista mai multe topologii de filtre active, cu metode specifice de comanda si dimensionare.

Majoritatea acestor structuri utilizeaza convertoare sursa de tensiune care au conectat pe partea de curent continuu un condensator, ca sursa de stocare a energiei (fig. 1).

Desi comanda acestui convertor ar putea fi cu unda plina, respectiv un puls pe alternanta, cele mai multe aplicatii necesita performante dinamice bune, motiv pentru modulatia in durata este absolut necesara.

Principiul de functionare poate fi ilustrat cel mai bine pe o structura de filtru paralel (Fig.2).

Curentul de sarcina este masurat cu traductorul de curent TC si analizat de un procesor de semnal (DSP) pentru a determina spectrul de armonici al acestuia. Aceasta informatie este utilizata de generatorul de curent (GC), care va produce reziduul armonic I_h cerut de sarcina pentru urmatoarea perioada de functionare corespunzatoare frecventei fundamentale. Astfel, sursa de impedanta Z_s este parcursa numai de fundamentala curentului de sarcina (I₁

In practica, reziduul armonic este redus in proportie de aproximativ 90%.

Tipuri de filtre active

In functie de aplicatia concreta, respectiv de modul in care convertorul static bidirectional este conectat cu sarcina neliniara care produce regimul deformant, filtrele active pot fi implementate in structura serie, paralel, serie-paralel, fiecare dintre acestea putand fi combinata cu filtre pasive rezultand filtre hibride.

Filtre active paralel

Frecvent utilizat in practica, filtrul paralel (Fig. 5) are avantajul ca, fiind conectat in paralel cu sarcina, este dimensionat la o putere determinata doar de componentele armonice ale curentului de sarcina. De aceea, filtrele active paralel, eventual hibride, permit obtinerea celor mai bune performante pret-calitate.

Pentru mentinerea "curata" a retelei de alimentare este indicat ca filtrele active sa se monteze in paralel cu fiecare sarcina deformanta. Daca furnizorul de energie electrica sau proprietarul retelei de distributie trebuie sa "curete" reteaua, este obligatorie montarea unui filtru activ sau a mai multora in paralel, in punctul comun de conectare. In cazul in care puterea corespunzatoare armonicilor ce trebuie filtrate este mare, se pot conecta filtre in cascada, si in alte puncte de conectare ale retelei.

Filtrul activ paralel compenseaza armonicile de curent ale curentului de sarcina prin injectarea in retea a unui curent de compensare i_F egal ca valoare, dar defazat cu 180 fata de curentul armonic (fig. 6).

Intrucat structura filtrelor active este cea a invertoarelor de tensiune, printr-o comanda adecvata, este permisa existenta ambelor polaritati ale curentului, indiferent de polaritatea tensiunii. Astfel, filtrul activ poate sintetiza orice forma de unda a curentului, in asa fel incat curentul debitat de sursa de alimentare sa fie sinusoidal.

Deoarece filtrul nu furnizeaza putere activa, el nu necesita o sursa de alimentare si functioneaza atat ca un redresor a carui sarcina este condensatorul C, cat si ca invertor alimentat de la condensatorul C.

Pentru a se sintetiza curentul dorit, tensiunea pe condensatorul C trebuie sa fie mai mare decat valoarea maxima a tensiunii de linie.

Conectarea filtrului, pe partea de curent alternativ, se face prin intermediul unui filtru pasiv de interfata format din bobinele L_f1 si L_f2 si condensatoarele C_f, care are rolul de a decupla filtrul activ fata de sursa de alimentare si de a converti tensiunea comutata de pe condensator, intr-un curent cu variatie impusa. In acelasi timp, inductantele fac posibila incarcarea condensatorului C la o tensiune mai mare decat valoarea de varf a tensiunii de linie, iar L_f2, impreuna cu condensatorul C_f de capacitate mica, formeaza un filtru pasiv de ordinul doi, care nu permite componentelor de inalta frecventa sa se inchida prin sursa de alimentare. Componentele de inalta frecventa sunt generate de comutatia, cu frecventa ridicata, a invertorului.

Precizia de obtinere a unei forme de unda impuse este limitata de frecventa de comutatie a tranzistoarelor filtrului si de tensiunea permisa pe bobina L_f2 a filtrului pasiv.

Aceasta tensiune determina valoarea maxima a pantei de variatie a curentului prin tranzistoare. Astfel, caderea de tensiune pe inductivitatea L_f2 este

(1)

Din structura filtrului, se observa ca aceasta tensiune este data de diferenta dintre tensiunea pe condensatorul C si tensiunea pe condensatoarele C_f (tensiunea de linie u_l), respectiv

. (2)

Daca se presupune ca tensiunea pe condensatorul C este constanta si se tine seama ca tensiunea de linie este practic sinusoidala, iar comutatia tranzistoarelor poate fi oriunde in intervalul 0 - 180 , se obtin valorile extreme ale pantei de variatie a curentului prin filtru:

(3)

(4)

Aceste relatii arata ca fidelitatea compensarii depinde nu numai de forma de unda a curentului prescris, ci si de pozitia relativa a acestuia fata de tensiunea de linie. In plus, adoptandu-se in relatia (4) valoarea maxim admisibila a pantei de variatie a curentului printr-un tranzistor, se obtine valoarea necesara a inductivitatii L_f2.

Astfel de filtre pasive, numite filtre de interfata, sunt disponibile in module compacte.