JAKOŚĆ ENERGII ELEKTRYCZNEJ Odkształcenie napięć i pradów

Transkrypt

1 JAKOŚĆ ENERGII ELEKTRYCZNEJ Odkształcenie napięć i pradów Wydział Elektrotechniki, Automatyki, Informatyki i Elektroniki Wykład nr 8

2 PRZEKSZTAŁTNIK PFC Filtr pasywny L Cin przekształtnik Zasilacz impulsowy DC/DC

3 Przekształtniki PFC L Dout Cin Cout DC/DC Zasilacz impulsowy

4 Przekształtniki PFC L S t 1 Górna granica Przebieg referen. 0 0 t 2 Dolna granica

5 STEP-UP (BOOST) CONVERTER reżim pracy ciągłej

6 STEP-UP (BOOST) CONVERTER TRYB GRANICZNY

7 STEP-UP (BOOST) CONVERTER reżim pracy przerywanej

8 Przekształtniki PFC

9 Mostek tranzystorowy (PWM) T1 T3 OUTPUT POWER T2 T4 Dwie strategie sterowania: - bipolarna - unipolarna

10 AKTYWNE KSZTAŁTOWANIE PRĄDU WEJŚCIOWEGO Voltage (V) Output vs Time Current (A) s 5.0ms 10.0ms 15.0ms 20.0ms 25.0ms 30.0ms Time

11 AKTYWNE KSZTAŁTOWANIE PRĄDU WEJŚCIOWEGO dławik wejśc. DC inverter 3~ line

12 AKTYWNE KSZTAŁTOWANIE PRĄDU WEJŚCIOWEGO PFC DC inverter 3~ line

13 FILTRY WYŻSZYCH HARMONICZNYCH FILTRY WH Aktywne Pasywne Wejściowe Hybrydowe np. w układach energoelektronicznych Wejściowe, np. w układach energoelektronicznych Szeregowe Równoległe Szeregowo-równoległe Proste, jednogałęziowe Tłumione Podwójnie nastrojone Pierwszego rzędu Drugiego rzędu Trzeciego rzędu

14 Redukcja skutków harmonicznych filtr szeregowy

15 FILTRACJA PASYWNA FILTR SZEREGOWY Szeregowy filtr pasywny Szeregowy filtr aktywny Układ energoelektroniczny Z F Charakterystyka impedancji filtru szeregowego Z F w funkcji częstotliwości Z F Z F U Impedancja zastępcza sieci zasilającej Z S Impedancja zastępcza filtru szeregowego Z F I (n) Odbiornik nieliniowy n R n Równoległy filtr pasywny o rzędzie częstotliwości rezonansowej - n R

16 Redukcja skutków harmonicznych filtr szeregowy U (n) U F = -U (n) PWP U (1) Odbior. U (1) +U (n) U (1)

17 u s (t) u 1 (t) u 3 (t) u 5 (t) u d (t) -u 3 (t) -u 5 (t) t u o (t) u 1 (t) t t

18 FILTRY WYŻSZYCH HARMONICZNYCH FILTRY WH Aktywne Pasywne Wejściowe Hybrydowe np. w układach energoelektronicznych Wejściowe, np. w układach energoelektronicznych Szeregowe Równoległe Szeregowo-równoległe Proste, jednogałęziowe Tłumione Podwójnie nastrojone Pierwszego rzędu Drugiego rzędu Trzeciego rzędu

19 Redukcja skutków harmonicznych

20 FUNKCJE FILTRU PASYWNEGO eliminacja harmonicznych prądu (napięcia) kompensacja mocy biernej harmonicznej podstawowej

21 FILTRY PASYWNE WYŻSZYCH HARMONICZNYCH Źródło wh Filtr Sieć zasilająca Moc bierna podstawowej harmonicznej wynikająca z potrzeb kompensacyjnych Rodzaj i moc Częstotliwościowa charakterystyka impedancyjna Pierwotne widmo harmoniczne napięcia Spektrum prądu filtrowanego odbiornika Miejsce przyłączenia Poziomy kompatybilności

22 FILTRY PASYWNE WYŻSZYCH HARMONICZNYCH filtry tłumione szerokopasmowe Filtr podwójnie nastrojony Filtr prosty 1. rzędu 2. rzędu 3. rzędu 3. rzędu (typu C)

23 FILTRY WYŻSZYCH HARMONICZNYCH FILTRY WH Aktywne Pasywne Wejściowe Hybrydowe np. w układach energoelektronicznych Wejściowe, np. w układach energoelektronicznych Szeregowe Równoległe Szeregowo-równoległe Proste, jednogałęziowe Tłumione Podwójnie nastrojone Pierwszego rzędu Drugiego rzędu Trzeciego rzędu

24 ODKSZTAŁCENIE PRZEBIEGÓW CZASOWYCH NAPIĘĆ I PRĄDÓW U U n n n U THD n2 U 1 U n g U %

25 ODKSZTAŁCENIE PRZEBIEGÓW CZASOWYCH NAPIĘĆ I PRĄDÓW THD U2 = 17,45 %

26 FILTR PROSTY (JEDNOGAŁĘZIOWY) Impedancja filtru Z F C (X C ) Z F L (X L ) nr (b) n R Impedancja filtru Z F oraz sieci zasilającej (a) n (c)

27 FILTR PROSTY (JEDNOGAŁĘZIOWY) Uwh=IwhZ Z F Z S S 2 S ZW ZW1 S ZW 3 S S S ZW1 ZW 2 ZW3 Impedancja Z Z2 Z1 Zmin f f R f SZ

28 FILTR PROSTY (JEDNOGAŁĘZIOWY) U U 3 U 3 n 2 nr 2 r 1

29 C (X C ) Z F L (X L ) R RF 1 X r 1 r nr LC X L r r Q X R r r 1 2 r PP

30 filtr pasywny System zasilający Odbiornik nieliniowy PWP (n) I ) S (n I ) I F (n ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( n n S n n S n F n F n S I I Z Z Z I ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( n n F n n S n F n S n F I I Z Z Z I 1 ) ( ) ( n F n S FILTR PROSTY (JEDNOGAŁĘZIOWY)

31 Pasywne filtry wyższych harmonicznych System zasilający PWP F5 (U5) F7 F5 Odbiornik nieliniowy F5 (U7) F5 (I)

32 FILTR PROSTY (JEDNOGAŁĘZIOWY) WN WN śn śn nn filtr nn Przekształtnik

33 Rząd harmonicznej PRZYKŁAD 1 do harmonicznej Napęd prądu stałego: moc napięcie UN prąd I(1) Wartość względna w relacji podstawowej [%] Prąd harmonicznej [A] 5 31, kw 7 6, , V (międzyfazowe) A 13 4,7 28 I S [A ] t [s] PWP Napęd przekształtnikowy Sieć zasilająca Inne liniowe odbiorniki S Tr = 1500kVA e % = 6 Filtry wh

34 Kompensacja mocy biernej Rząd harm. (n) Prąd harm. [A] Harmoniczna napięcia [V] , , , ,33 U( n ) (THD ) U 100% 4, 09% U 2 2 ( 1 )

35 QN = 500 kvar 350 Hz Hz THD = 9,4% THD = 12,8%

36 QN = 500 kvar Wniosek: Filtr należy dobierać zawsze dla najniższej występującej harmonicznej!

37 Kompensacja mocy biernej

38 PRACA RÓWNOLEGŁA FILTRÓW Z n=4,9 n=5 n=5.1 n

39 Kompensacja mocy biernej Z f 250 Hz Pojedynczy filtr 150 Z1( n) Z( n) 100 Dwa filtry pracujące równolegle n

40 Kompensacja mocy biernej

41 Ih/I1 [%] Ih/I1 [%] Ia[A], Ua[V] Ia[A], Ua[V], Ud[V] Kompensacja mocy biernej Ud Ia 600 Ia Ua Ua t[ms] t[ms] nr harmnicznej nr harmonicznej Nie Zmodulowane zmodulowane napięcie napięcie

42 Kompensacja mocy biernej

43 Ia[A], Ua[V] Ih/I1 [%] Kompensacja mocy biernej Ia Ua t[ms] nr harmonicznej

44 In/I1(α=0)[%] Kompensacja mocy biernej σ[ ]

45 FILTR PROSTY (JEDNOGAŁĘZIOWY) I (n) I S = I (n) I F Źródło harmoniczne I F I S I S I F5 I F7 I FSP I (n) Harmoniczne prądu n = 5, 7, 11, 13,... I F (b) R Z [] 10 Impedancja sieci zasilającej i filtrów Impedancja sieci zasilającej I F5 I F7 I FSP 5 f [Hz] (a) F5 F7 Filtr szerokopasmowy (FSP) (c)

46 Pasywne filtry wyższych harmonicznych I S Harmoniczne prądu n = 5, 7, 11, 13,... I F R I F5 I FSP F5 F7

47 FILTR PROSTY (JEDNOGAŁĘZIOWY) Z [] Impedancja sieci zasilającej i filtrów 10 Impedancja sieci zasilającej 5 f [Hz] (c)

48 FILTR PROSTY (JEDNOGAŁĘZIOWY) Z [] 10 5 f [Hz] (c)

49 30kV 6kV S ZW = 75MVA S N = 3MVA, e % = 5 21% M S N = 1MVA, e % = 4 8,4% 5,5% 1MW cos=0,8 500kW cos=0,89 M M M 6,9% 10 x 50kW cos = 0,82 P = 200kW cos = 1

50 8,4% 5,5% 30kV S ZW = 75MVA 21% 6,9% 6kV 1MW cos=0,8 M 500kW cos=0,89 S N = 3MVA, e % = 5 M M M 10 x 50kW cos = 0,82 F5 S N = 1MVA, e % = 4 P = 200kW cos = 1 F5+F11 5,2% 3,1% 4,65% 6,25% 3,2% 1,2%

51 8,4% 5,5% 30kV S ZW = 75MVA 21% 6,9% 6kV 1MW cos=0,8 M 500kW cos=0,89 S N = 3MVA, e % = 5 M M M 10 x 50kW cos = 0,82 F5 S N = 1MVA, e % = 4 P = 200kW cos = 1 F5+F7+F11 F5+F11 3,5% 1,6%1,1% 5,2% 3,1% 4,65% 6,25% 3,2% 1,2%

52 F5 F7 Filtr szerokopasmowy

53 FILTR PROSTY (JEDNOGAŁĘZIOWY) 2 Silnik prądu stałego

54 FILTRY WYŻSZYCH HARMONICZNYCH FILTRY WH Aktywne Pasywne Wejściowe Hybrydowe np. w układach energoelektronicznych Wejściowe, np. w układach energoelektronicznych Szeregowe Równoległe Szeregowo-równoległe Proste, jednogałęziowe Tłumione Podwójnie nastrojone Pierwszego rzędu Drugiego rzędu Trzeciego rzędu

55 FILTR TŁUMIONY 1. RZĘDU Z F R F2 > R F1 C F C F2 > C F1 Z F R F C F1 R F2 C F2 Z F R 1 j C F R F1 schemat ideowy i charakterystyki impedancyjne dla różnych wartości R F i C F

56 INTERHARMONICZNE C (X C ) Z F L (X L ) R (a) n. rząd harmonicznej

57 INTERHARMONICZNE FFT (U ih = 1.35%, f(u ih ) = 175Hz)

58 INTERHARMONICZNE

59 FILTR TŁUMIONY 2. RZĘDU 3.5 C ( X ) F FC Z X F r q F R F L ( X ) F FL Z F 2 R FL 1.5 r R L 1 F C F X r F R qf 2 X r X r r r 1 RF L C F F R schemat zastępczy oraz typowe charakterystyki impedancyjne dla różnych wartości współczynnika dobroci q F = ( )

60 C F1 FILTR TŁUMIONY 3. RZĘDU L F C F 2 R F Z X F r C F1 r 0 CF 2 0 m r L 1 F C C F 1 R C F F 2 R L F F 2 F CF q F r m r schemat zastępczy oraz przykładowe charakterystyki (dla różnych wartości współczynnika dobroci) q F = ( )

61 FILTR TYPY C C F1 Z X F r 5 4 R F C F 2 L F r Schemat zastępczy i przykładowa charakterystyka impedancyjna (dla różnych wartości współczynnika dobroci) q F = ( )

62 FILTRY WYŻSZYCH HARMONICZNYCH FILTRY WH Aktywne Pasywne Wejściowe Hybrydowe np. w układach energoelektronicznych Wejściowe, np. w układach energoelektronicznych Szeregowe Równoległe Szeregowo-równoległe Proste, jednogałęziowe Tłumione Podwójnie nastrojone Pierwszego rzędu Drugiego rzędu Trzeciego rzędu

63 FILTR PODWÓJNIE DOSTROJONY C F1 L F1 Część szeregowa (Z FS ) Ca Cb R F1 La Lb C F 2 R F3 L F 2 R F 2 Część równoległa (Z FR ) Ra Rb

64 Z R =f(f) Z F =f(f) Z S =f(f) FILTR PODWÓJNIE DOSTROJONY C F1 L F1 Część szeregowa (Z FS ) R F1 S f [Hz] (a) (b) C F 2 R F3 L F 2 R F 2 Część równoległa (Z FR ) R 1 2 f [Hz] f [Hz]

65 FILTR PODWÓJNIE DOSTROJONY (a) (b) (c) (d) (e) (f)

66 FILTRY WYŻSZYCH HARMONICZNYCH FILTRY WH Aktywne Pasywne Wejściowe Hybrydowe np. w układach energoelektronicznych Wejściowe, np. w układach energoelektronicznych Szeregowe Równoległe Szeregowo-równoległe Proste, jednogałęziowe Tłumione Podwójnie nastrojone Pierwszego rzędu Drugiego rzędu Trzeciego rzędu

67 Hybrydowy EFA symetryzacja i filtracja wh

68 Filtracja pasywna podsumowanie prostota koncepcji, powszechnie znane, względnie proste w konstrukcji, uruchomieniu i eksploatacji wymagane jest doświadczenie konstrukcyjne i eksploatacyjne, zależność właściwości filtracyjnych od dokładności dostrojenia parametrów do częstotliwości rezonansowych, obciążanie sieci prądem pojemnościowym o częstotliwości harmonicznej podstawowej, ryzyko wystąpienia niepożądanych rezonansów oraz wzmocnienia niektórych częstotliwości, wpływ starzenia się elementów na częstotliwości rezonansowe rozstrajanie się filtrów (niebezpieczeństwo rezonansu), wpływ parametrów odbiornika i linii zasilającej na właściwości filtracyjne, filtrowaniu podlegają tylko wybrane harmoniczne o dominujących wartościach nie są filtrowane harmoniczne uznane za niecharakterystyczne dla odbiornika, które mogą jednakże wystąpić w jego prądzie zasilającym, znaczne gabaryty i masa, stosowanie ograniczające się do zaprojektowanego przypadku (wymagany indywidualny dobór).

69 Dziękuję za uwagę Zbigniew HANZELKA Akademia Górniczo-Hutnicza Kraków, Al.. Mickiewicza 30 Tel: ,