Odbiorniki nieliniowe problemy, zagrożenia

Transkrypt

1 Odbiorniki nieliniowe problemy, zagrożenia Dr inż. Andrzej Baranecki, Mgr inż. Marek Niewiadomski, Dr inż. Tadeusz Płatek ISEP Politechnika Warszawska, MEDCOM Warszawa Wstęp Odkształcone przebiegi prądów pobieranych przez odbiorniki nieliniowe powodują występowanie całego szeregu problemów w obwodach zasilających. Z uwagi na stały wzrost ilości tego typu odbiorników (USA w % energii zużywały odbiorniki nieliniowe, a w 2001 już 60-80%), zjawiska te mogą się kumulować, stanowiąc istotne przyczyny poważnych awarii. Efektem zakłóceń wprowadzanych do sieci przez odbiorniki nieliniowe mogą być np. przeciążenia linii, przegrzewanie się transformatorów i silników, awarie kondensatorów, przyspieszona degradacja izolacji itp. Wzrost strat w elementach rezystancyjnych (bezpieczniki, linie zasilające itp.) Impulsowy przebieg prądu mimo niewielkiej wartości średniej charakteryzuje się znaczną wartością skuteczną, co jest przyczyną istotnego wzrostu strat energii i grzania się elementów rezystancyjnych. Na rys.1 są przedstawione cztery przebiegi prądu (sinusoida i trzy przebiegi impulsowe), wszystkie o wartości średniej 5A. W tablicy przedstawiono wartości skuteczne, będące wynikiem symulacji przy wykorzystaniu komputerowego programu PSPICE, oraz straty w rezystorze 1Ω spowodowane przepływem prądu o podanym przebiegu. Rys.1 Przykładowe przebiegi prądów (wg Tablicy 1) 0s 1ms 2ms 3ms 4ms 5ms 6ms 7ms 8ms 9ms 10ms Tablica 1 przebieg prądu wartość średnia wartość skuteczna straty w rezystancji 1Ω sinusoida (I max =7,85A) 5A 5,55A 30,8W impuls 10A / 5ms 5A 7,06A 49,8W impuls 25A / 2ms 5A 11,14A 124,1W impuls 50A / 1ms 5A 15,71A 246,8W Prądy o impulsowych przebiegach są pobierane m.in. przez prostowniki z filtrem pojemnościowym, występujące powszechnie w zasilaczach bardzo wielu urządzeń. Straty w elementach rezystancyjnych (np. rezystancja linii, bezpieczniki) przez które płynie taki prąd mogą być nawet kilkanaście razy większe od strat powstających przy przebiegu sinusoidalnym. Przykłady prądu pobieranego przez odbiorniki nieliniowe są przedstawione na rys.2.

2 a) b) c) d) Rys.2 Przykładowe przebiegi prądów: a) ładowarka telefonu (I m =0,04A), b) żarówka energooszczędna małej mocy (I m =0,1A), c) komputer (I m =1A), d) podstacja trakcyjna zasilana z sieci 15kV (150A) Zniekształcenia napięcia wzrost strat w silnikach i awarie kondensatorów. W rezultacie odkształceń prądu przez odbiorniki nieliniowe odkształceniu ulega napięcie w sieci zasilającej, co wpływa na pracę pozostałych odbiorników zasilanych z tej sieci. Przy impulsowym poborze prądu napięcie ulega wyraźnemu spłaszczeniu (rys.3a) a analiza takiego przebiegu wykazuje obecność (rys.3b) wyższych harmonicznych. a) b) V V V Rys.3 Odkształcenie napięcia w wyniku impulsowego prądu pobieranego przez odbiornik nieliniowy (a) oraz harmoniczne przebiegu napięcia (b)

3 Zasilanie silnika tak odkształconym napięciem powoduje dodatkowe straty mocy generowane przez harmoniczne przy większej zawartości harmonicznych mogą występować wibracje momentu, wpływające bardzo niekorzystnie na kondycje łożysk wirnika. Wzrost strat w transformatorach Wyższe harmoniczne, występujące w prądach pobieranych przez odbiorniki nieliniowe (np. rys.4), powodują znaczny wzrost strat w rdzeniu transformatora zasilającego takie odbiorniki. Rys.4 Prąd impulsowy przebieg oraz rozkład na harmoniczne Straty takie mogą być nawet kilkadziesiąt razy większe od strat przy zasilaniu przez transformator odbiorników liniowych. W amerykańskim standardzie UL1561 [1] jest zdefiniowany współczynnik K-factor, określający poziom strat w transformatorze przy obecności wyższych harmonicznych. Jednocześnie współczynnik ten jest wykorzystywany dla określania grupy konstrukcyjnej transformatora, dopuszczającej do stosowania w środowisku o określonym poziomie harmonicznych. Niezależnie od strat w rdzeniu, rosną straty w uzwojeniach, spowodowane zjawiskiem naskórkowości, zmniejszającym czynny przekrój przewodu uzwojenia. Zgodnie z wymienionym standardem, transformatory są wykonywane w grupach K-1, K-4, K-9, K-13, K-20, K-30, K-40 i K-50. W transformatorze pracującym w środowisku określonym jako K=50, a wykonanym wg podstawowej grupy K-1 (materiał rdzenia, rodzaj przewodów, sposób nawijania itp.), straty mogą osiągnąć nawet 50-krotny poziom strat w stosunku do występujących w środowisku bez obecności harmonicznych. W europejskiej normie BS7821 Part4 [2] jest zdefiniowany współczynnik Factor K, określający (w sposób trochę skomplikowany) poziom obniżenia dopuszczalnego obciążenia transformatora, w zależności od jego parametrów konstrukcyjnych oraz poziomu harmonicznych oraz jego parametrów konstrukcyjnych. Niezależnie od wzrostu strat w przypadku transformatorów (i innych elementów indukcyjnych) pracujących w środowisku z harmonicznymi obserwowany jest wzrost natężenia emitowanego pola magnetycznego. Konieczność zwiększania wydajności prądowej źródeł zasilających Pobór prądu o przebiegu impulsowym wymaga zwiększenia wydajności prądowej źródła zasilającego (rys.5). Dotyczy to szczególnie takich urządzeń jak agregaty prądotwórcze i UPS. W przypadku zasilaczy UPS jednym z parametrów jest współczynnik crestfactor, który określa dopuszczalny stosunek wartości szczytowej do wartości skutecznej prądu pobieranego z zasilacza. Większe wartości współczynnika (4:1 lub nawet 9:1) pozwalają na poprawną pracę UPS przy impulsowym poborze prądu przez zasilane odbiorniki.

4 Rys.5 Zwiększona wydajność prądowa źródła przy odbiornikach nieliniowych, pobierających prąd o przebiegu impulsowym Wzrost prądu w przewodzie neutralnym Dołączenie do sieci trójfazowej nieliniowych odbiorników jednofazowych powoduje w następstwie znaczny wzrost wartości prądu w przewodzie zerowym (rys.6). Zdarza się, że wartość tego prądu osiąga trzykrotną wartość prądu fazowego, co może grozić znacznym przegrzaniem instalacji. W środowiskach o dużej ilości odbiorników nieliniowych zaleca się zwiększenie przekroju przewodu neutralnego - nawet dwukrotne, w stosunku do przekroju przewodów fazowych. Rys.6 Wzrost wartości prądu w przewodzie neutralnym, przy zasilaniu 1-fazowych odbiorników nieliniowych, pobierających prąd o przebiegu impulsowym Niezależnie od przegrzewania się przewodu neutralnego w zależności od jego przekroju mogą się również pojawiać spadki i zakłócenia napięcia, negatywnie wpływające na pracę odbiorników. Osobnym zagadnieniem na które należy przy okazji zwrócić uwagę jest problem wiarygodności wyników pomiaru wartości współczynnika THD, wyznaczanego dla prądu w przewodzie neutralnym. Przy stosowaniu ogólnie przyjętego wzoru: gdzie: n k = 2 2 ( I k / I ) 100% THD = 1 (1) I k skuteczna wartość k-tej harmonicznej prądu I 1 skuteczna wartość podstawowej harmonicznej prądu n maksymalny numer harmonicznej uwzględnianej w obliczeniach odnosimy wartości poszczególnych harmonicznych do wartości harmonicznej podstawowej. Dla prądu w przewodzie neutralnym sieci 3-fazowej prowadzi to często do bardzo zaskaku-

5 jących rezultatów, wynikających z braku podstawowej harmonicznej w przebiegu tego prądu. Przykładowy efekt takiego pomiaru jest przedstawiony na rys.7. Rys.7 Przebiegi prądu w sieci 3-fazowej oraz wyniki wyznaczonej wartości THD Prąd w przewodzie neutralnym ma wartość pomijalnie małą, natomiast wyznaczona wartość THD wynosi ok. 320% (przy wartościach dla prądów fazowych ok. 11%). Dla prawidłowej diagnostyki sytuacji w przewodzie neutralnym powinno się zatem mierzyć rzeczywistą wartość skuteczną prądu w tym obwodzie. Awarie kondensatorów Zniekształcenia napięcia sieciowego, wynikające z pracy odbiorników nieliniowych, mają bardzo negatywny wpływ na funkcjonowanie dołączonych do sieci kondensatorów (np. do kompensacji mocy biernej). Harmoniczne napięcia powodują w kondensatorach prądy o znacznych wartościach, w wyniku których rosną straty i często dochodzi do uszkodzenia kondensatora. Dotyczy to również kondensatorów w przeciw-zakłóceniowych filtrach wejściowych, których uszkodzenie może doprowadzić do awarii zabezpieczanego urządzenia. Przyspieszona degradacja izolacji Wyższe harmoniczne napięcia z uwagi na pojemności występujące w strukturach izolacji powodują wzrost strat spowodowanych prądami pojemnościowymi. Prądy te mogą powodować lokalne przegrzania, mikropęknięcia i w konsekwencji przyspieszoną degradację izolacji. Powinno to skłaniać do częstszych pomiarów stanu izolacji w środowiskach o dużym poziomie harmonicznych. Zjawiska rezonansowe wywoływane obecnością harmonicznych Jedną z przyczyn groźnych awarii, będących następstwem generowania harmonicznych przez odbiorniki nieliniowe, mogą być zjawiska rezonansowe. a) b) Rys.8 Układ zasilania z odbiornikiem nieliniowym: a) stan normalny, b) rezonans obwodu LC pobudzony harmonicznymi

6 W przedstawionym na rys.6 obwodzie w wyniku pobudzenia przez harmoniczne do drgań obwodu LC (indukcyjność transformatora i pojemności w zasilanym obwodzie) mogą powstać przepięcia, stanowiące zagrożenie dla zasilanych urządzeń. Podsumowanie Przedstawione wyżej zagrożenia, będące następstwem dołączania do sieci zasilającej odbiorników nieliniowych, stanowią realne źródła awarii zwłaszcza, że ilość odbiorników nieliniowych ma tendencję silnie rosnącą. Kumulacja zagrożeń może prowadzić do awarii, których skutki mogą mieć charakter nie tylko lokalny. Dla prawidłowej oceny potencjalnego zagrożenia należy zwracać uwagę na pomiar rzeczywistej skutecznej wartości prądu (Thru RMS) oraz na doraźną kontrolę zniekształceń napięcia i prądu (THDu i THDi). Pomiary powinny być rejestrowane dla dłuższych okresów czasowych (np. doba, kilka dni), gdyż czasem większe zagrożenie stwarzają chwilowe zakłócenia o bardzo wysokich wartościach. Literatura: 1) Standard UL1561 Dry-Type General Purpose and Power Transformers. 2) BS :1995 Three phase oil-immersed distribution transformers, 50 Hz, from 50 to 2500 kva with highest voltage for equipment not exceeding 36 kv. Determination of the power rating of a transformer loaded with non-sinusoidal currents. 3) IEEE St Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in Electrical Power Systems.