JAKOŚĆ ENERGII ELEKTRYCZNEJ Odkształcenie napięć i pradów

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

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

Przekształtniki PFC L Dout Cin Cout DC/DC Zasilacz impulsowy

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

STEP-UP (BOOST) CONVERTER reżim pracy ciągłej

STEP-UP (BOOST) CONVERTER TRYB GRANICZNY

STEP-UP (BOOST) CONVERTER reżim pracy przerywanej

Przekształtniki PFC

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

AKTYWNE KSZTAŁTOWANIE PRĄDU WEJŚCIOWEGO Voltage (V) 326.99 Output vs Time Current (A) 4.83 217.99 3.22 109.00 1.61-0.00 0.00-109.00-1.61-217.99-3.22-326.99-4.83 0.0s 5.0ms 10.0ms 15.0ms 20.0ms 25.0ms 30.0ms Time

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

AKTYWNE KSZTAŁTOWANIE PRĄDU WEJŚCIOWEGO PFC DC inverter 3~ line

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

Redukcja skutków harmonicznych filtr szeregowy

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

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

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

Redukcja skutków harmonicznych

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

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

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

ODKSZTAŁCENIE PRZEBIEGÓW CZASOWYCH NAPIĘĆ I PRĄDÓW U U n n n U THD n2 U 1 U n g U 1 2 100%

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

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)

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

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

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

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)

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

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

Rząd harmonicznej PRZYKŁAD 1 do harmonicznej Napęd prądu stałego: moc napięcie UN prąd I(1) Wartość względna w relacji podstawowej [%] Prąd harmonicznej [A] 5 31,0 186-370 kw 7 6,4 38 11 10,2 61-480 V (międzyfazowe) - 600 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

Kompensacja mocy biernej Rząd harm. (n) Prąd harm. [A] Harmoniczna napięcia [V] 5 186 8,55 7 38 2,43 11 61 6,16 13 28 3,33 U( n ) (THD ) U 100% 4, 09% U 2 2 ( 1 )

QN = 500 kvar 350 Hz 250 350 Hz THD = 9,4% THD = 12,8%

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

Kompensacja mocy biernej

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

Kompensacja mocy biernej Z f 250 Hz 250 200 Pojedynczy filtr 150 Z1( n) Z( n) 100 Dwa filtry pracujące równolegle 50 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 n

Ih/I1 [%] Ih/I1 [%] Ia[A], Ua[V] Ia[A], Ua[V], Ud[V] Kompensacja mocy biernej 1000 1500 Ud 8001000 Ia 600 Ia 400 500 200 Ua Ua 0 0-200 -400-500 -600-800 -1000 40 60 80 100 120 140 160 180 200 t[ms] -1000 100 105 110 115 120 125 130 10 10 t[ms] 9 8 8 7 6 6 5 4 4 3 2 2 1 0 0 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 nr harmnicznej 5 7 11 13 17 19 23 25 29 31 nr harmonicznej Nie Zmodulowane zmodulowane napięcie napięcie

Ia[A], Ua[V] Ih/I1 [%] Kompensacja mocy biernej 1000 800 600 Ia 10 9 8 400 Ua 7 200 0-200 -400-600 6 5 4 3 2 1-800 -1000 100 105 110 115 120 125 130 t[ms] 0 5 7 11 13 17 19 23 25 29 31 nr harmonicznej

In/I1(α=0)[%] Kompensacja mocy biernej 12 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 10 8 6 4 2 0 100 105 110 115 120 125 130 135 140 σ[ ]

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) 100 200 300 400 500 600

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

FILTR PROSTY (JEDNOGAŁĘZIOWY) Z [] Impedancja sieci zasilającej i filtrów 10 Impedancja sieci zasilającej 5 f [Hz] (c) 100 200 300 400 500 600 600

FILTR PROSTY (JEDNOGAŁĘZIOWY) Z [] 10 5 f [Hz] (c) 100 200 300 400 500 600

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

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%

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%

F5 F7 Filtr szerokopasmowy

FILTR PROSTY (JEDNOGAŁĘZIOWY) 2 Silnik prądu stałego

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

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

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

INTERHARMONICZNE

FILTR TŁUMIONY 2. RZĘDU 3.5 C ( X ) F FC Z X F r 2.5 3 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 1 0.5 0 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 R schemat zastępczy oraz typowe charakterystyki impedancyjne dla różnych wartości współczynnika dobroci q F = (0.08-16)

C F1 FILTR TŁUMIONY 3. RZĘDU L F C F 2 R F Z X F r 10 9 8 7 6 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 5 4 3 2 1 r 0 0 0 1 2 3 4 1 m r schemat zastępczy oraz przykładowe charakterystyki (dla różnych wartości współczynnika dobroci) q F = (0.08-16)

FILTR TYPY C C F1 Z X F r 5 4 R F C F 2 L F 3 2 1 0 0 1 2 3 4 r Schemat zastępczy i przykładowa charakterystyka impedancyjna (dla różnych wartości współczynnika dobroci) q F = (0.4-1800)

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

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]

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

Hybrydowy EFA symetryzacja i filtracja wh

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).

Dziękuję za uwagę Zbigniew HANZELKA Akademia Górniczo-Hutnicza 30-019 Kraków, Al.. Mickiewicza 30 Tel: 012 617 28 78, 633 22 84 E-mail: hanzel@agh.edu.pl