METODE UZUALE DE ATENUARE A REGIMURILOR DEFORMANTE

Transcription

1 METODE UZUALE DE ATENUARE A REGIMURILOR DEFORMANTE MIRCEA ROŞCA UTCB mirro@instal.utcb.ro Abstract This paper discusses harmonic distortion, its causes and adverse effects and how to reduce it. Harmonic distortion is the change in the waveform of the supply voltage from the ideal sinusoidal waveform. It is caused by the interaction of distorting customer loads with the impedance of the supply network. Its major adverse effects are the heating of induction motors, transformers and capacitors and the overloading of neutrals. This paper presents, also, the most important harmonics mitigation techniques. Some of these solutions offer guaranteed results and have no adverse effect on the power system, while the performance of others is largely dependent on system conditions. 1. GeneralităŃi Regimul deformant prezintă aspectele unei probleme generalizate a sistemului electroenergetic, pentru combaterea căreia trebuie luate atât măsuri profilactice (de evitare şi de diminuare, încă din etapa de proiectare, a producerii şi propagării armonicilor superioare), cât şi măsuri protectoare şi curative (de compensare a regimului deformant şi a efectelor acestuia). Toate aceste măsuri au un caracter local sau cel mult zonal. Principalele probleme care trebuie rezolvate la consumatorii deformanńi sunt: compensarea variańiilor bruşte de putere reactivă absorbită; compensarea regimului deformant, care nu trebuie confundată cu compensarea puterii deformante. NoŃiunea de compensare a puterii deformante este o formulare eronată, având în vedere neconservabilitatea acestei puteri. În timp ce soluńia mai veche o constituia folosirea filtrelor de armonici; soluńiile moderne se bazează exclusiv pe utilizarea compensatoarelor statice rapide şi reglabile de putere reactivă şi de regim deformant, care cuprind şi filtre de armonici. Prin compensarea regimului deformant se înńelege ansamblul de măsuri care se iau pentru prevenirea aparińiei regimului deformant în reńelele electroenergetice şi pentru limitarea efectelor acestui regim. Măsurile de prevenire [1], care pot fi luate încă din faza de proiectare, sunt următoarele: Măsuri cu caracter general, care constau în alegerea acelor consumatori care sunt caracterizańi printr-un nivel scăzut al curenńilor armonici generańi şi în amplasarea acestor receptoare deformante în acele zone ale reńelei de alimentare caracterizate prin puteri mari de scurtcircuit; Măsuri specifice anumitor instalańii sau receptoare deformante: în cazul cuptoarelor cu arc electric, se urmăreşte creşterea impedanńei de scurtcircuit a reńelei de alimentare printr-o linie specială sau printr-un transformator dedicat; în cazul redresoarelor, se alimentează punńile de redresare prin intermediul unor transformatoare care au conexiunile stea-triunghi, sau triunghi-stea şi care astfel realizează tensiuni de alimentare defazate cu 30 fańă de tensiunile reńelei;

2 Verificări ale reńelei de alimentare referitoare la posibilitatea aparińiei regimului deformant. Aceste verificări urmăresc în primul rând determinarea gradului de deformare a tensiunii şi nivelul diferitelor armonici pentru fiecare receptor deformant ce urmează a fi conectat; apoi, posibilitatea aparińiei rezonanńelor armonice şi deci a unor supratensiuni armonice, în special pentru circuitele prevăzute cu baterii de condensatoare pentru compensarea puterii reactive, iar la depistarea unor astfel de cazuri, urmează să se prevadă montarea de instalańii corespunzătoare de filtrare. Există, de asemenea, câteva reguli de bază pentru racordarea la reńeaua electrică a unui receptor deformant [1], [2]: consumatorii slab perturbatori pot fi racordańi în reńea fără rezerve; consumatorii puternic perturbatori sunt obligańi să-şi compenseze regimul deformant, în general, prin montarea de filtre; dacă fiecare dintre consumatorii perturbatori conectańi într-un nod al reńelei (PCC) a respectat limitele de emisie impuse, însă pe întregul nod de reńea limita globală de perturbańii este depăşită, furnizorul de energie electrică are obligańia să ia măsurile necesare reducerii nivelului acestor perturbańii, deoarece în acest punct comun de cuplare pot fi racordańi şi alńi consumatori (chiar nedeformanńi), a căror funcńionare ar putea fi deranjată de poluarea cu armonici generate de ceilalńi consumatori deformanńi. Este foarte important să fie subliniat faptul că marea majoritate a curenńilor armonici din sistemele de distribuńie a energiei electrice sunt de ordin impar (3, 5, 7, 9, etc.). De asemenea, este cunoscut faptul că, în cele mai multe dintre situańii, cauza regimului deformant se regăseşte printre echipamentele aflate la consumatorii de energie electrică. Dar cel mai interesant aspect este acela că echipamentele perturbatoare ale calităńii energiei electrice sunt, în acelaşi timp, şi cele mai sensibile la perturbańii. Cu toate că echipamentele de măsurare moderne sunt capabile să evidenńieze mărimile armonice de ordinul 50 sau chiar mai mare, în practică prezintă interes armonicile de ordin inferior, ştiindu-se că amplitudinea armonicilor scade o dată cu deplasarea către ordine superioare. Dintre acestea, un interes aparte îl prezintă armonicile multiplu de trei (a treia, a 9-a, A 15-a, a 21-a, etc.). MotivaŃia constă în aceea că, spre deosebire de armonica de ordinul întâi (fundamentala), care este de succesiune directă (secvenńă zero), aceste armonici sunt de succesiune homopolară. ConsecinŃa imediată este aceea că aceste armonici se însumează în conductoarele neutre ale consumatorilor conectańi în stea. Aceasta poate conduce la aparińia în conductoarele neutre a unor curenńi de valori efective foarte mari, ceea ce, în condińiile unei subdimensionări a secńiunii conductoarelor neutre, poate conduce la supraîncălzirea acestora şi la creşterea riscului de incendiu. Un interes deosebit îl prezintă, de asemenea, şi armonicile de ordin 5 şi 11. Deşi armonicile de ordinul 5 sunt preponderente în raport cu armonicile de ordinul 11, este important de subliniat faptul că ambele sunt de succesiune inversă (secvenńă negativă). Dacă se aplică unui motor asincron trifazat o tensiune cu un bogat conńinut de armonici de ordinul 5 şi/sau 11, acestea vor genera câmpuri învârtitoare de sens opus celui generat de fundamentală, imprimând rotorului maşinii cupluri de sens contrar mişcării. Aceasta va obliga maşină să absoarbă un curent mai mare pentru menńinerea punctului de funcńionare impus de către sarcina cuplată la axul maşinii. Ca o consecinńă imediată, maşina se va supraîncălzi, existând şi riscul ca echipamentele de protecńie la supracurent să declanşeze. Printre cei mai cunoscuńi

3 consumatori care produc armonici de ordinul 5, 7 şi 11 se află echipamentele cu 6 pulsuri utilizate pentru reglarea turańiei motoarelor cu inducńie. Rezultat al unei proiectări mai pretenńioase, echipamentele cu 12 pulsuri generează doar armonici de ordinul 11 şi 13, dar sunt şi mult mai scumpe. Metodele şi echipamentele prezentate în cele ce urmează au rolul de a atenua, în principal, tocmai armonicile menńionate mai înainte. Ca rezultat al problemele create de perturbańiile armonice, este pusă la dispozińia utilizatorilor o variată gamă de metode şi echipamente de atenuare a acestora. Aceste echipamente apelează la o serie de metode clasice de eliminare a perturbańiilor armonice. Fiecare dintre aceste metode prezintă o serie de avantaje şi dezavantaje, ceea ce conduce, pentru fiecare dintre ele, la o arie de aplicabilitate destul de restrânsă. În cele ce urmează vor fi prezentate cele mai importante (şi mai des utilizate) metode de eliminare (sau, măcar de diminuare) a regimului deformant în circuitele de curent alternativ. 2. Separarea consumatorilor neliniari de cei liniari Deoarece sursa de alimentare are o impedanńă proprie, care nu poate fi neglijată, curenńii de sarcină armonici generează distorsiuni armonice ale formei de undă a tensiunii. Exista două elemente ale impedanńei: cel al cablării interne de la PCC şi cel propriu sursei de alimentare la PCC (de exemplu transformatorul local de alimentare), după cum se observă în figura 1 [3]. Fig. 1 Distorsionarea tensiunii cauzată de către consumatorilor liniari a) Forma de undă a tensiunii de alimentare în PCC b) Forma de undă a tensiunii aplicate consumatorilor c) Forma de undă a curentului prin consumatorul liniar d) Forma de undă a curentului prin consumatorul neliniar Curentul distorsionat absorbit de către sarcina neliniară determină o cădere de tensiune distorsionată pe impedanńa cablului. Forma de undă a tensiunii rezultate este distorsionată şi se aplică tuturor sarcinilor conectate la circuit, provocând aparińia unor curenńi armonici în acestea chiar dacă, unele dintre ele sunt sarcini liniare. SoluŃia constă în separarea circuitelor de alimentare a diferitelor tipuri de sarcini [4] [5]. Astfel, este recomandabil ca, încă din etapa de proiectare, să se aibă în vedere separarea, pe cât posibil, a consumatorilor perturbatori de restul consumatorilor (în special de cei sensibili la perturbańii). Practic, pentru consumatori diferińi (din punct de vedere al emisiilor armonice), ar trebui să existe bare de distribuńie distincte. Prin gruparea separată a consumatorilor perturbatori creşte, implicit, şi posibilitatea recompunerii unghiulare, deoarece suma vectorială a curenńilor armonici este, în mod evident, mai mică decât suma lor algebrică. Astfel, sarcinile neliniare, care generează curenńi armonici sunt alimentate dintr-un circuit separat de cel care alimentează sarcinile liniare, care, în multe cazuri sunt sensibile la armonici. Separarea circuitelor trebuie să se facă în PCC, astfel încât tensiunea distorsionată de către sarcinile neliniare să nu ajungă la sarcinile liniare. Această separare poate fi făcută fie în cadrul unei instalańii unice alimentate din secundarul unui singur transformator de

4 distribuńie, fie în cadrul a două instalańii de distribuńie distincte, alimentate din două transformatoare de distribuńie separate. 2.1 Separarea consumatorilor în cadrul unei instalańii unice alimentate din secundarul unui singur transformator de distribuńie Fig. 2 Separarea consumatorilor în cadrul unei instalańii unice alimentate din secundarul unui singur transformator de distribuńie Este bine cunoscut faptul că nivelul global al distorsiunilor armonice creşte o dată cu scăderea puterii de scurtcircuit în PCC. Din acest motiv, în instalańiile unice alimentate din secundarul unui singur transformator de distribuńie este preferabilă conectarea consumatorilor perturbatori cât mai în amontele instalańiei de distribuńie (cât mai aproape de PCC),aşa cum este prezentat în figura 2 [6]. 2.2 Separarea consumatorilor în cadrul a două instalańii de distribuńie distincte, alimentate din două transformatoare de distribuńie separate Fig. 3 Separarea consumatorilor în cadrul a două instalańii de distribuńie distincte, alimentate din două transformatoare de distribuńie separate În linia eforturilor de atenuare a regimului deformant, o îmbunătańire considerabilă o constituie alimentarea separată din transformatoare de distribuńie diferită a consumatorilor, ca în figura 3 [6]. Dezavantajul major al acestei soluńii este acela al preńului de cost sensibil crescut datorat unui transformator suplimentar. 3. Supradimensionarea transformatoarelor şi a cablurilor sau subîncărcarea instalańiilor Aceste metode nu îşi propun să elimine curenńii şi tensiunile armonice, ci doar să minimizeze efectele acestora în instalańie. În momentul proiectării unei instalańii noi, metoda constă în supradimensionarea tuturor elementelor instalańiei care ar putea fi parcurse de către curenńii armonici, şi anume transformatoare de alimentare, cabluri, separatoare, întreruptoare, tablouri de distribuńie, etc. [3] Cea mai utilizată soluńie este, însă, cea a supradimensionării (practic a dublării secńiunii) conductorului neutru al instalańiei. Metoda conduce, din păcate, la creşterea spectaculoasă a preńului de cost al noii instalańii. În cazul instalańiilor existente, soluńia cea mai utilizată este cea a subîncărcării acestora. ConsecinŃa imediată este aceea că instalańiile nu pot fi încărcate la capacitatea lor inińial proiectată, ceea ce conduce la creşterea costurilor de exploatare.

5 Acolo unde sunt instalate transformatoare locale, ele trebuie selectate astfel încât să aibă o impedanńă de ieşire cât mai scăzută şi o capacitate de supraîncărcare suficientă, pentru a putea rezista încălzirii suplimentare, cu alte cuvinte, trebuie alese transformatoare supradimensionate. De notat este faptul că nu este indicată alegerea unui transformator la care creşterea capacităńii se obńine prin răcire forńată un asemenea transformator va funcńiona la temperaturi de lucru mai ridicate, rezultatul fiind reducerea duratei de exploatare a acestuia. Răcirea forńată trebuie considerată o soluńie extremă, rezervata cazurilor de urgenńă şi nu se va folosi în cazurile de funcńionare normală. 4. Conexiuni speciale ale transformatoarelor şi autotransformatoarelor O altă soluńie utilizată pentru eliminarea unor anumite armonici, în special în sistemele trifazate cu patru conductoare care alimentează receptoare neliniare monofazate, este cea a utilizării unor conexiuni speciale ale transformatoarelor şi autotransformatoarelor de alimentare. Astfel, sunt utilizate transformatoare de separare în conexiune triunghi-steatriunghi, transformatoare de separare în conexiune triunghi-stea sau autotransformatoare în conexiune zig-zag [3]. În funcńie de tipul conexiunii, pot fi eliminate armonici de anumite ordine, după cum urmează: Conexiunea triunghi-stea-triunghi (Dyd) elimină armonicile de ordinul 5 şi 7; Conexiunea triunghi-stea (Dy) elimină armonicile de ordinul 3 (care circulă între fiecare dintre linii şi conductorul neutru); Conexiunea triunghi-zig-zag (DZ5) elimină armonicile de ordinul 5 (care circulă în buclă prin circuitul magnetic). Fig. 4 Conexiunea triunghi-stea-triunghi a unui transformator trifazat Fig. 5 Conexiunea triunghi stea (Dy) În figura 4 este prezentată schema unui transformator trifazat în conexiune triunghistea-triunghi, în care, fiecare înfăşurare secundară alimentează grupuri separate de consumatori perturbatori. Între cele două înfăşurări secundare există un defazaj de 30º. În ipoteza încărcării egale a celor două circuite secundare, anumite armonici (de ordinul 5 şi 7) vor fi eliminate (anulate). Utilizarea transformatoarelor de separare în conexiune triunghi-stea conduce la anularea armonicilor de ordinul trei şi a celor multiplu de trei (care, fiind în fază, se adună în

6 conductorul neutru, în loc să se anuleze). Armonicile de ordinul trei şi cele multiplu de trei circulă doar în înfăşurarea primară trifazată închisă în conexiune triunghi (datorită absenńei conductorului neutru), în acest mod limitându-se drastic injecńia de armonici de ordinul trei sau multiplu de trei în liniile de alimentare ale înfăşurării primare. Metoda reprezintă o soluńie centralizată de limitare a efectelor armonicilor, aplicabilă unui grup de receptoare monofazate. Din păcate, metoda nu are nici un efect asupra armonicilor care nu sunt multiplu de trei (armonicile de ordinul 5, 7, 11, 13, etc.). Mai mult, chiar, soluńia limitează disponibilităńile de putere ale sursei, mărind impedanńa liniei de alimentare şi conducând la o creştere a nivelului de distorsiune a tensiunii datorate armonicilor de ordin superior. În figura 5 este prezentată schema unui transformator trifazat în conexiune triunghi stea (Dy). Transformatoarele în conexiune zig-zag sunt, de fapt, autotransformatoare trifazate proiectate pentru valori foarte scăzute ale impedanńei homopolare. Acest tip de conexiune permite filtrarea armonicilor de succesiune homopolară (secvenńă zero). Dezavantajul major al acestui tip de conexiune constă în aceea că nu permite filtrarea armonicilor de succesiune directă (secvenńă directă) şi a celor de succesiune inversă (secvenńă negativă). Ca o consecinńă, armonicile de ordinul 5 şi 7 nu Fig. 6 Autoransformator în conexiune zig-zag sunt împiedicate să circule înapoi spre transformatorul de alimentare. Se consideră cunoscută definińia impedanńei homopolare (mărime care se referă la circuitul magnetic al transformatoarelor) şi care este analoagă impedanńei definite pentru curentul electric alternativ. Elementele componente ale impedanńei homopolare sunt rezistenńa de magnetizare homopolară şi reactanńa de magnetizare homopolară (care este inversul reluctanńei Fig. 7 - Utilizarea combinată a unui transformator de separare în conexiune triunghi-stea şi a unui autotransformator în conexiune zig-zag homopolare). ImpedanŃa homopolară este determinată de conexiunea înfăşurării şi de construcńia circuitului magnetic şi diferă în funcńie de sens, având valori diferite dinspre primar spre secundar şi, respectiv, dinspre secundar spre primar. În figura 6 este prezentată schema unui autotransformator trifazat în conexiune zig-zag. În anumite situańii, atunci când cerinńele privitoare la emisiile armonice sunt foarte stricte, se apelează la o serie de combinańii între diferitele tipuri de conexiuni speciale ale transformatoarelor trifazate. Ca un exemplu, în figura 7 este prezentată modalitatea de alimentare a unui grup de consumatori monofazańi perurbatori prin intermediul unei combinańii între un transformator de separare în conexiune triunghi-stea şi a unui autotransformator în conexiune zig-zag [7].

7 5. Filtre În cele ce urmează, vor fi prezentate, pe scurt, tipurile de filtre utilizate pentru atenuarea regimurilor deformante, fără a se face o descriere amănunțită a acestora Filtrele sunt acele circuite electrice active sau pasive care realizează compensarea puterii deformante la consumator şi reduc perturbańiile produse în reńea de către acesta. Filtrele pot fi pasive sau active. Filtrele pasive sunt construite numai cu componente pasive (filtre LC). În funcńie de rolul pe care îl îndeplinesc şi de modul de amplasare, aceste filtre au diferite forme şi sunt dimensionate pentru diverse benzi de trecere. Pot fi amplasate în conexiune serie sau derivańie, în diverse puncte ale lanńului energetic. Filtrele active sunt convertoare statice care au în componenńă dispozitive semiconductoare şi componente pasive (bobine şi condensatoare), în diverse variante constructive şi care realizează compensarea puterii deformante şi a celei reactive. Bibliografie [1]. ługulea, A. Regimul deformant şi dezechilibrat de funcńionare a reńelelor electrice şi indicatorii de calitate ai energiei electrice, Contract colaborare cu MCT, 1997; [2]. Solacolu, C. Sisteme de achizińie şi măsurare a indicatorilor energetici de calitate în regimuri deformante şi nesimetrice, Teză de doctorat, UPB, 1998; [3]. Roşca, M., Topologii moderne de UPS-uri, A 41-a ConferinŃă NaŃională de InstalaŃii Creşterea performanńei energeticea clădirilor şi instalańiilor aferente, Sinaia, oct. 2006, pag , ISBN (10) , ISBN (13) [4]. *** Copper Developement Association Problems caused by harmonics, [5]. Chapman, D. Harmonics - Causes and Effects CONTRIBUTE_PATH_ _98_98_31_low.pdf tradus în [6]. *** Schneider Electric - Electrical installation guide Chapter L - Detection and filtering of harmonics - 6 Measuring the indicators, [7]. McGranaghan, M. Controlling Harmonics Locally in Commercial Facilities,