JAKOŚĆ ENERGII ELEKTRYCZNEJ Odkształcenie napięć i pradów. Wydział Elektrotechniki, Automatyki, Informatyki i Elektroniki

Transkrypt

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

2 Źródła odkształcenia prądu układy przekształtnikowe

3 Źródła odkształcenia prądu układy przekształtnikowe D1 D4 V S v=v m sinωt C D3 D Zasilacze impulsowe

4 P = 100W U/150 [V]

5 P = 100W THD=159%

6 Przepływ mocy czynnej - zasilanie sinusoidalne E = 30V Rs = 1Ω P = 0W odb. liniowy: ΔPs = 7,6mW odb. nieliniowy: ΔPs = 15,1mW Obwód U [V] I [ma] S [VA] ΔP S [mw] P [W] P e [W] A 9,7 87,1 0 7,6 0 0,0076 B 9,7 13 8,605 15,1 0 0,0151

7 Moc pierwszej i wyższych harmonicznych P1 = 0,0045W P3 = -3,1mW P5 = -340μW P7 = -340μW P9 = -1μW Pc = -(P3 + P5 + ) = 4,5mW

8 Przepływ mocy czynnej zasilanie niesinusoidalne E1 = 30V φ1 = 0 E3 = 3V φ3 = 45 E5 = 11,5V φ5 = 90 E7 = 4,6V φ7 = 180 Rs = 1Ω P = 0W odb. liniowy: ΔPs = 7,5mW odb. nieliniowy: ΔPs = 13,9mW Odbiornik nieliniowy: P1 = 19,0569W P3 = 1,0149W P5 = -96mW P7 = mw P9 = -103μW Pc = 96,6mW Obwód U [V] I [ma] S [VA] ΔP S [mw] P [W] P e [W] A 31,0 86,5 0 7,5 0 0,0075 B 31,0 118,1 7,964 13,9 0 0,0139

9 Źródła odkształcenia prądu układy przekształtnikowe Typowy przebieg prądu komputera PC wraz z jego widmem harmonicznym. Widać wyraźnie, że 3, 5 i 7 harmoniczna mają wartości porównywalne z wartością składowej podstawowej. Współczynnik odkształcenia prądu zawarty jest w ogromnej większości przypadków w przedziale %, a wartość maksymalna trzeciej harmonicznej osiąga poziom 90-95% składowej podstawowej.

10 Źródła odkształcenia prądu układy przekształtnikowe Mimo, że bezwzględne wartości prądów harmonicznych generowanych przez komputery są małe, jednak efekt sumaryczny w postaci odkształcenia napięcia może być znaczący.

11 TV

12 Przykład dzień roboczy niedziela

13 Przykład

14 Przykład

15 Źródła odkształcenia prądu układy elektro i energoelektroniczne Trójfazowy prostownik 6. pulsowy Rząd harmonicznej pulsowy pulsowy

16 Źródła odkształcenia prądu układy elektro i energoelektroniczne Static VAR Compensator - FC/TCR L1 L L3 C F L F L Fix Capacitor (FC) Thyristor Controled Reactor (TCR) (c)

17 Źródła odkształcenia prądu układy elektro i energoelektroniczne Static VAR Compensator - FC/TCR I n 4 U X sin n 1 n 1 sin n 1 sin cos n 1 n - n = 3, 5, 7,... - U wartość skuteczna napięcia międzyfazowego - X całkowita reaktancja gałęzi kompensatora, - kąt sterowania.

18 Źródła odkształcenia prądu układy elektro i energoelektroniczne Rząd harmonicznej Wartość max. [%] (13,78) 5 5,05 7,59 9 (1,57) 11 1, ,75 15 (0,57) 17 0, ,35 prądy wh w procentach składowej podstawowej I(1) [%] I (5) I (1) (skala x 10) I (3) I (11) I (11) I (7) I (7) I (13) I (13) I (9) I (9) U I I i I (3) (9) I (5) (7) { { U brak dla systemu 3-fazowego symetrycznego brak dla układu 1-pulsowego i 1 (0,9) 0 90 o 100 o 110 o 10 o 130 o 140 o 150 o 160 o 170 o 180 o 3 0,4 5 0,

19 n kp 1, k 0,1,,... I S U S I 1T I 1T1 T / T1 / U T U T1 I T I T1 P, P1,1 U d U d =U d1 +U d U d1

20 Źródła odkształcenia prądu układy elektro i energoelektroniczne harmoniczne charakterystyczne harmoniczne niecharakterystyczne

21 Źródła odkształcenia prądu układy elektro i energoelektroniczne

22 Źródła odkształcenia prądu układy elektro i energoelektroniczne

23 Źródła odkształcenia prądu układy elektro i energoelektroniczne Przebiegi czasowe prądów typowych odbiorników przekształtnikowych

24 Źródła odkształcenia prądu Rząd harmonicznej Spawarka [%] PC [%] CFL [%] ,6 75 1,3 5 8,8 47,3 13,8 7,0,9 3,0 9,3 9,0 1,1 11,3 3,3 0,7 13 1,1 3,0 0,5 15 0,4,1 17 0,9 1,9

25 Rząd harmonicznej Źródła odkształcenia prądu Piec indukcyjny Napęd DC Piec łukowy DC Napęd AC (PWM) [] ,9 37,1 18, ,7 1,1 10, ,8 8,6 5,4 7,5 13 7,,5 3,9 5,0 17 4,3 4,7 1,8 4,4 19 4,9,3 1,3 3, 3,6 3,1 0,6,6 5 3,6,1 0,5,0 9 1,7, 0,5 1,7 31,7 1,9 0,5 1,3 35 1, 1,7 0,4 1,0 37,0 1,8 0,4 0,8 41 0,8 1,4 0,3 0,6 43 1,4 1,6 0,3 0,5 47 0,5 1,1 0, 0,4 49 1,0 1,3 0, 0,3 [1] Prostownik sterowany fazowo (duża wartość kąta sterowania). [] Napęd z dławikiem wejściowym. Bez dławika wartości harmonicznych 5, 7, 11 i 13 są znacząco większe.

26 Skutki odkształcenia napięć i prądów Moc czynna

27 Skutki odkształcenia napięć i prądów Moc bierna

28 Skutki odkształcenia napięć i prądów Współczynnik mocy

29 Sinusoidalne przebiegi napięcia i prądu napięcie prąd ωt φ

30 Sinusoidalne przebiegi napięcia i prądu S=UI φ P=UI cosφ Q=UI sinφ S* Q=- UI sinφ

31 Niesinusoidalne przebiegi napięcia i prądu = + + n=1 n=5 n=7 - kompensacja mocy biernej podstawowej harmonicznej - eliminacja wybranych harmonicznych prądu (redukcja odkształcenia napięcia w PWP)

32 S Niesinusoidalne przebiegi napięcia i prądu U I 1 h1 I h D U 1 h1 I h Q P U I cos Q U I sin

33 Niesinusoidalne przebiegi napięcia i prądu Współczynnik mocy = P/S = cos λ λ φ1 Współczynnik przesunięcia = P/S1 = cos φ1

34 Współczynnik przesunięcia (DPF) DPF = cos φ (1) Współczynnik mocy (PF) DPF = P S P (1) S U RMS (1) U I RMS (1) RMS I RMS cos (1) I RMS (1) I RMS cos (1) 1!!!!!!

35 Niesinusoidalne przebiegi napięcia i prądu Nieliniowy odbiornik i u t U n sin nt n U m sin mt m n t In sin nt n n I p sin pt ( p) n m p

36 Niesinusoidalne przebiegi napięcia i prądu PF P S 1 T T 0 u t it UI dt P P 1 P S 1 1 S 1 I DPF II S [ I ] P P I n U I cos n n n U 1 I cos 1 1

37 Niesinusoidalne przebiegi napięcia i prądu DPF U I U 1 cos I 1 cos 1 Czynnik [II]: S 1 S THD I THD U U I I Un Um U(1) 1 THDU n p n m n p I I (1) 1 THDI

38 Niesinusoidalne przebiegi napięcia i prądu THD U U U U 1 1 THD I I I 1 I 1 Dla napięcia sinusoidalnego: PF * 1 DPF 1 THD I

39 n m m n n m m n I I U U S n p p m m n n n n n I C m U C n I U C n U I sin = Niesinusoidalne przebiegi napięcia i prądu

40 Niesinusoidalne przebiegi napięcia i prądu ds dc 0 C opt 1 n n n nunin sinn Un m Um m Shepherd W., Zand P. (1979): Energy flow and power factor in non-sinusoidal circuits. Cambridge University Press, New York ANSI/IEEE Standard c Recommended Practice for Establishing Transformer Capability when supplying nonsinusoidal load currents.

41 Niesinusoidalne przebiegi napięcia i prądu Z f * nu n n * I 7-15%-105%

42 Dławik odstrajający Z f

43 Kompensacja mocy biernej

44 Kompensacja mocy biernej

45 Niesinusoidalne przebiegi napięcia i prądu rezonans szeregowy rezonans równoległy

46 Niesinusoidalne przebiegi napięcia i prądu

47 Dziękuję za uwagę Zbigniew HANZELKA Akademia Górniczo-Hutnicza Kraków, Al.. Mickiewicza 30 Tel: , hanzel@agh.edu.pl