NOWE TRENDY OCHRONY SIECI ZASILAJĄCYCH PRZED WYŻSZYMI HARMONICZNYMI PRĄDU I NAPIĘCIA PRZY ZASILANIU Z PRZEMIENNIKÓW CZĘSTOTLIWOŚCI

Transkrypt

1 Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr /8 Adam Pozowski Siemens sp. z o.o., Warszawa NOWE TRENDY OCHRONY SEC ZASLAJĄCYCH PRZED WYŻSZYM HARMONCZNYM PRĄDU NAPĘCA PRZY ZASLANU Z PRZEMENNKÓW CZĘSTOTLWOŚC NEW TRENDS N PROTECTON OF FREQUENCY CONVERTERS SUPPLY NETWORKS AGANST HGH HARMONCS OF CURRENT AND VOLTAGE Abstract: Te purpose of tis article is to explain of actual solutions and standards regarding low frequency distortions of supply network caused by power electronics of drive devices especially by voltage source frequency converters. Uregulowania normowe Opracowanie ma na celu przybliżenie obecnie istniejącyc rozwiązań i uregulowań normowyc w zakresie niskoczęstotliwościowyc zakłóceń sieci zasilającej przez układy napędowe energoelektroniki, ze szczególnym uwzględnieniem przemienników z napięciowym obwodem pośredniczącym prądu stałego. Problematyka zakłócania sieci zasilającyc przez odbiorniki obciążające je prądem niesinusoidalnym znana jest od dawna. Jednak coraz powszecniejsze stosowanie układów energoelektronicznyc powoduje, że problematyka ta staje się dla praktyki elektrotecnicznej z roku na rok istotniejsza. Szczególnie w krajac w któryc energoelektroniczne układy zasilania i regulacji stosowane są w znacznie większej skali niż w Polsce takic jak USA, Niemcy czy Francja, problem zakłócenia sieci przez te układy narasta, co znajduje swe odbicie w nowyc regulacjac normowyc oraz poszukiwania sposobów obniżenia emisji zakłóceń do sieci. Wszystkie rozważania zamieszczone w tym opracowaniu odnoszą się wyłącznie do niskoczęstotliwościowyc oddziaływań na sieć zasilającą w zakresie częstotliwości do khz. Obowiązujące na terenie EU są normy EN - - oraz EN --4. EN -- Poziomy kompatybilności zaburzeń przewodzonyc małej częstotliwości i sygnałów przesyłanyc w publicznyc sieciac niskiego napięcia Ta norma europejska zajmuje się zaburzeniami przewodzonymi w zakresie częstotliwości od Hz do khz. Podaje ona poziomy kompatybilności dla niskonapięciowyc sieci zasilającyc niskiego napięcia o napięciu sieci do 4 V jednofazowo lub V trójfazowo i częstotliwości sieci Hz lub Hz. Ustalone w tej normie poziomy kompatybilności obowiązują dla punktu przyłączenia PCC (Point of Common Coupling) w sieciac publicznyc. Nie są tu definiowane wartości graniczne dla armonicznyc prądu. Wartości graniczne podawane są tylko dla armonicznyc napięcia i całkowitego współczynnika zniekształceń THD(U). Ustalone w tej normie wartości graniczne dla punktu przyłączeniowego sieci w sieciac publicznyc są identyczne z wartościami granicznymi Klasy zgodnie z EN --4 (patrz poniżej). Odpowiadający temu poziom dla całkowitego współczynnika zniekształceń THD(U) wynosi 8. EN --4 Poziomy kompatybilności dotyczące zaburzeń przewodzonyc małej częstotliwości w sieciac zakładów przemysłowyc Ta norma europejska zajmuje się zaburzeniami przewodzonymi w zakresie częstotliwości od Hz do khz. Podaje ona liczne poziomy kompatybilności dla przemysłowyc i niepublicznyc sieci zasilającyc o napięciac znamionowyc aż do kv i częstotliwości sieci Hz lub Hz. Sieci zasilające na pokładzie statków, samolotów,

2 8 Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr /8 poza platformami przylegającymi do wybrzeża i pociągami nie podlegają obszarowi działania tej normy. Norma EN --4 definiuje trzy elektromagnetyczne klasy środowiska: Klasa Klasa ta obowiązuje dla zasilań cronionyc i posiada poziom kompatybilności, który jest niższy od poziomu dla sieci publicznyc. Odnosi się ona do pracy urządzeń bardzo wrażliwie reagującyc na zaburzenia w zasilaniu prądowym, np. elektryczne wyposażenie laboratoriów tecnicznyc, określone urządzenia automatyzacji i zabezpieczeń, określone urządzenia do przetwarzania danyc, itd. Klasa Klasa ta obowiązuje ogólnie dla punktów przyłączeniowyc sieci PCC w sieciac publicznyc i dla punktów przyłączeniowyc wewnątrz sieci PC (nternal Point of Coupling) w przemysłowyc i innyc niepublicznyc sieciac zasilającyc. Poziomy kompatybilności dla tej klasy są zasadniczo identyczne z tymi dla sieci publicznyc. Dlatego komponenty, które zostały opracowane dla pracy w sieciac publicznyc, mogą być używane w tej Klasa klasie środowiska przemysłowego. Klasa ta obowiązuje tylko dla punktów przyłączeniowyc wewnątrz sieci PC w środowiskac przemysłowyc. Dla kilku zaburzeń posiada ona wyższe poziomy kompatybilności niż te w Klasie. Na przykład klasę tą należy wziąć pod rozwagę, gdy występuje jeden z następującyc warunków: główna część obciążenia pocodzi od przekształtnika; występują maszyny spawalnicze; często urucamiane są duże silniki; szybkie waania obciążenia. Nie da się z góry określić klasy jaką można by zastosować dla nowyc instalacji i rozbudowy istniejącyc instalacji i powinno się określić przy uwzględnieniu przewidywanego rodzaju urządzenia i procesu. Norma EN --4 nie definiuje wartości granicznyc dla armonicznyc prądu. Wartości graniczne podawane są tylko dla armonicznyc napięcia i całkowitego współczynnika zniekształceń THD(U). Poziomy kompatybilności dla wyższyc armonicznyc Klasa Klasa Klasa Liczba rzędu U U U 8, 4, x, x (/) (/) < 4 x (/) - Składowe armoniczne napięcia U, armoniczne nieparzyste, niepodzielne przez Klasa Klasa Klasa Całkowity wsp. zniekształceń THD(U) 8 W USA obowiązuje obecnie dużo bardziej restrykcyjna norma EEE, która definiuje zarówno wartości graniczne dla prądu jak i dla napięcia Liczba rzędu U,, wyższe THD(U) THD() Całkowity wsp. zniekształceń THD

3 Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr /8 Rozwiązania Poniższy rysunek przedstawia przykładową sieć niskiego napięcia, która jest zasilana przez transformator z sinusoidalnym napięciem źródłowym i rezystancją wewnętrzną X Trafo. W punkcie przyłączeniowym sieci PCC podłączone są odbiorniki o różnorodnej carakterystyce. Silniki wykazują liniową carakterystykę prąd-napięcie i przy zasilaniu przez sinusoidalne napięcie pobierają z sieci czysto sinusoidalne prądy. Z uwagi na nieliniowe komponenty w mostkac prostowników (tyrystory, diody) przekształtniki wykazują nieliniową carakterystykę prąd-napięcie i przez to pomimo zasilania przez sinusoidalne napięcie obciążają sieć niesinusoidalnymi prądami. Te niesinusoidalne prądy pocodzące od odbiorników o nieliniowej carakterystyce, wywołują niesinusoidalne spadki napięcia na rezystancji wewnętrznej transformatora X Trafo i zniekształcają przez to napięcie w punkcie przyłączeniowym sieci PCC. Dla oceny rzeczywistego poziomu zakłóceń sieci zasilającej niezwykle istotne jest, by inwestor kierował się raczej zasadą odpowiedniego określenia dopuszczalnyc zakłóceń, jakie mogą się pojawić w wybranym przez niego punkcie przyłączeniowym (PCC), a nie tylko określał rodzaj mostka prostowniczego. Oczywiście różnice pomiędzy rozwiązaniami przekształtników różnyc producentów (, -to pulsowe) są nieznaczne, jednak ostatnie lata przyniosły na rynku różnego rodzaju alternatywne rozwiązania (filtry armonicznyc, szerokie stosowanie Active nfeed) które dają bardzo dobre rezultaty w ograniczaniu zakłóceń sieci, a nieraz nie są przez inwestorów brane pod uwagę. Szczególnie ciekawym rozwiązaniem jest tutaj filtr LHF produkcji firmy SEMENS. Filtry armonicznyc sieciowyc LHF (Line Harmonics Filter) są pasywnymi filtrami LC, które zasadniczo zostały opracowane do odfiltrowywania. i. armonicznej w prądzie sieciowym prostownika -pulsowego i wyraźnej redukcji oddziaływania na sieć w punkcie przyłączenia PCC. Są one instalowane między przyłączem sieci i przekształtnikiem i mogą być stosowane z przekształtnikami Siemens-a SNAMCS G i G. Zastosowanie filtrów armonicznyc sieci LHF koniecznie wymaga dławika sięciowego o względnym napięciu zwarcia u k = w przekształtniku. Rys.. Sieć niskiego napięcia z przyłączonym odbiorami Zasilanie sieciowe (transformator) PCC - punkt przyłączeniowy Prostownik -pulsowy ndukcyjność sieci Dławik sieciowy Rys.. -pulsowy prostownik z dławikiem sieciowym i filtrem armonicznyc sieci LHF w sieci prądu przemiennego

4 Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr /8 Filtry armonicznyc sieci LHF wpływają tylko na wielkość armonicznyc prądu, ale nie na ic widmo. Z tego powodu również przy zastosowaniu filtra armonicznyc sieci LHF przy prostowniku -pulsowym występują tylko armoniczne nieparzyste, niepodzielne przez, prądu i napięcia = n * ±, gdzie n =,,... tzn. =,,,,,,,,,, 4 4, 4,... ndukcyjność sieci przy zastosowaniu filtrów armonicznyc ma wpływ na wielkość armonicznyc prądu, który jest jednak mniejszy niż przy prostownikac -pulsowyc bez filtra armonicznyc sieci LHF. Poniżej podano typowe armoniczne prądu prostownika -pulsowego z filtrem armonicznyc sieci LHF. Ponownie przy tym przyjęte są trzy konstelacje sieci z różną indukcyjnością sieci lub różną względną mocą zwarciową RSC. a) Sieć o małej indukcyjności lub dużej względnej mocy zwarciowej (RSC >> ) Moc zwarciowa sieci S k Sieć w punkcie przyłączenia jest znacznie większa niż moc pozorna podłączonego przekształtnika, tzn. tylko względnie mały udział procentowy obciążenia transformatora pocodzi od obciążenia przekształtnikowego. Przypadek ten występuje np. wtedy, gdy do sieci zasilanej przez transformator o mocy pozornej rzędu kilku MVA, będzie podłączony przekształtnik o mocy pozornej rzędu kw. b) Sieć o średniej indukcyjności lub średniej względnej mocy zwarciowej (RSC = ) Przypadek ten występuje np. wtedy, gdy do transformatora podłączone jest ok. - obciążenia przekształtnikowego. c) Sieć o dużej indukcyjności lub małej względnej mocy zwarciowej (RSC < ) Przypadek ten występuje np. wtedy, gdy do transformatora o wysokim napięciu zwarcia podłączone jest obciążenia przekształtnikowego, a więc np. podłączony jest tylko jeden przekstałtnik, tórego moc pozorna odpowiada w przybliżeniu mocy pozornej transformatora. Typowe armoniczne prądu prostownika -pulsowego z filtrem armonicznyc sieci LHF (Line Harmonics Filter) Sieć o dużej względnej mocy zwarciowej (RSC >> ): Sztywna sieć TH D (), 8 Sieć o średniej względnej mocy zwarciowej (RSC = ), TH D () 4, 4 8 Sieć o małej względnej mocy zwarciowej (RSC < ): Słaba sieć, TH D (),, 8, Rys.. Typowy przebieg prądu sieciowego prostownika -pulsowego z filtrem LHF Dla porównania, poniżej podajemy typowe wartości armonicznyc prądu przekształtnika -to pulsowego (z własnym transformatorem trójuzwojeniowym) Sieć o małej do średniej względnej mocy zwarciowej (RSC = ): Słaba sieć,,, 4 THD () 8,8

5 Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr /8 Na rysunku 4 przedstawiono diagram armonicznyc prądu porównujący rozwiązania ic ograniczenia -puls. bez LHF -puls. z LHF -puls. Rys. 4. Carakterystyka widmowa armonicznyc prądu dla porównania różnyc rozwiązań ograniczenia armonicznyc prądu (wartości w ) Jak widać, rozwiązanie z filtrem LHF ma nieco niższy współczynnik TDD w stosunku do rozwiązania -to pulsowego przekształtnika wartości średniej TDD, zapewnia łatwiejsze spełnienie norm uwzględniającyc poszczególne armoniczne prądu. Falownik AFE Jest to falownik, który w jeszcze większym stopniu jest przyjazny dla sieci zasilającej, jest znany od wielu lat. Jest to falownik z napięciowym obwodem pośredniczącym z prostownikiem aktywnym (Active Front End) połączonym z filtrem sinusoidalnym. Jest to rozwiązanie, które zapewnia najniższy z obecnie dostępnyc poziom armonicznyc prądu, posiadając jednocześnie możliwość wysoce dynamicznego amowania regeneratywnego. Poziom TDD wynosi w zależności od rodzaju sieci zasilającej między -, przy wartościac dla poszczególnyc armonicznyc nieparzystyc, poniżej. Rys.. Falownik AFE Przemiennik AFE, ze względu na stosowanie drogiego rozwiązania prostownika (tranzystory GBT zamiast diod oraz filtr sinusoidalny, układ wstępny Active nterace). Mają znacząco wyższy koszt od poprzednio przytoczonyc rozwiązań i są stosowane w przypadkac, gdy wymagany jest zwrot energii do sieci zasilającej. Aspekt sprawności przemienników z różnymi stopniami wejściowymi Każde skomplikowania układu czy też dodanie do niego nowyc elementów powoduje powstanie w systemie dodatkowyc strat. Dobierając odpowiednią pod względem zawartości armonicznyc prądu i napięcia konfigurację, należy zawsze mieć na uwadze, by zastosowane środki były

6 Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr /8 z punktu widzenia innyc parametrów niż wartość armonicznyc optymalne dla klienta. Poniżej przedstawiamy porównanie strat przemienników ze stopniem wejściowym: - pulsowym, - pulsowym z filtrem LHF, - -to pulsowym, - AFE. Rysunek przedstawia diagram sprawności tyc rozwiązań dla trzec różnyc mocy napędu. Sprawność 8, 8,,,,,,, 8 Moc kw puls puls+lhf puls Rys.. Diagram sprawności 4-rec rozwiązań falowników AFE Jak widać, spadek sprawności przemiennika przy zastosowaniu układu -to pulsowego, lub filtra LHF jest nieznaczny w stosunku do rozwiązania -cio pulsowego, natomiast zastosowanie przemiennika z prostownikiem AFE, powoduje znaczący spadek sprawności przemiennika (o około ). Jest to spowodowane dużą różnicą pomiędzy stratami na tranzystorac GBT pracującyc w modulacji PWM, a na diodac z naturalną komutacją. Podsumowanie W cwili obecnej, w zakresie typowyc rozwiązań przemienników niskiego napięcia z napięciowym obwodem pośredniczącym mamy kilka sposobów ograniczania wyższyc armonicznyc prądu i napięcia generowanyc w sieci zasilającej. Decyzja, jakie rozwiązanie wybrać powinna poprzedzić rzetelna analiza sieci, wybranie punktu przyłączeniowego dla którego będą wykonywane obliczenia oraz rozważenie jakie urządzenia energoelektroniczne już pracują w istniejącej sieci. Nie powinno się automatycznie wybierać rozwiązania n-pulsowego, lecz raczej postawić wykonawcy zadanie co do wartości TDD i THD U w punkcie PCC. Należy także pamiętać o sprawności układu tak, by poprawienie kompatybilności nie było osiągane kosztem obniżenia łącznej sprawności. Mając na uwadze tendencję do zwiększania się udziału napędów sterowanyc poprzez urządzenia energoelektroniczne należy już dziś pamiętać o właściwej ocronie sieci zasilającej, by za kilka lat nie stanąć przed problemami, z którymi dziś borykają się kraje z większym udziałem przemienników pracującyc w sieciac.