DIMINUAREA CONŢINUTULUI DE ARMONICI

IDENTIFICAREA PROBLEMEI ARMONICILOR

În orice sistem de distribuţie care deserveşte echipamente electronice moderne există un anumit grad de poluare armonică, care creşte odată cu puterea echipamentului sau sarcinii neliniare.

În absenţa simptomelor evidente, se pune problema cum se poate decide dacă armonicile de curent şi tensiune sunt un subiect de îngrijorare.

Există în literatura de specialitate câteva sugestii pentru măsuri simple şi ieftine pe care un director de serviciu sau un electrician ar putea să le ia, începând de la consumator şi deplasându-se în amonte spre alimentare.

1. Măsurarea valorii de vârf şi a valorii efective a tensiunii la un eşantion al receptorului şi determinarea factorului de vârf. O valoare mai mică decât 1.41 indică prezenţa armonicilor. De remarcat necesitatea utilizării unor aparate de măsură adecvate măsurătorilor în regim nesinusoidal.

2. Inspectarea panourilor electrice pentru a determina vizual eventuale semne de supraîncălzire a componentelor.

3. Măsurarea curenţilor pe faze şi neutru în secundarul transformatorului utilizând cleşti de curent. Dacă curenţii pe fază sunt similari, iar cel neutru depăşeşte nesimetria lor într-o marjă mare, există armonici. La un curent în conductorul neutru de peste 70% din valoarea nominală în conductor, este necesară atenuarea problemei.

4. Compararea temperaturii reale a transformatorului cu cea impusă de încărcarea acestuia. La un transformator încărcat mult sub capacitatea sa nominală şi care este aproape de (sau chiar peste) supratemperatura admisă, este clar că armonicile lucrează.

Pe lângă aceste măsurători simple, există în comerţ echipamente care înregistrează nivelul armonicilor şi furnizează detalii despre factorul de distorsiune armonică şi amplitudinile armonicilor individuale.

STANDARDE ŞI RECOMANDĂRI

Pentru limitarea armonicilor în reţelele electrice, diferite ţări au implementat recomandări speciale. Astfel, în America de Nord şi având un grad mare de acoperire internaţională este recunoscut standardul IEEE 519 din 1992 (“IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in Electric Power Systems”), în Anglia standardul G5/4 (din 2001), iar în Europa continentală standardul EN61800-3 (IEC1800-3) care impune limite pentru sistemele de acţionare electrică.

1

În conformitate cu IEEE 519 , este definit punctul de măsură, numit şi punctul comun de conexiune (PCC), ca fiind punctul de conexiune între sarcina/sarcinile neliniare şi alte sarcini (Fig. 1).

Aceasta garantează că, dacă standardul IEEE 519 este îndeplinit pentru PCC, atunci toate echipamentele conectate în interiorul instalaţiei vor fi protejate.

Pentru comparaţie, standardul G5/4 priveşte doar serviciile reţelei de alimentare, nu şi consumatorii sau echipamentele.

Limita distorsiunii armonice a tensiunii recomandată de IEEE 519 în PCC este, în cazul „sistemelor generale”, de 5% pentru factorul de distorsiune armonică (THDU) şi de 3% pentru orice armonică individuală. Pentru „sisteme dedicate”, cu sarcina 100% convertoare statice, este permisă o limită superioară de 10%.

În cadrul eforturilor de revizuire a standardului IEEE 519, una din tendinţe este creşterea limitei superioare a distorsiunii armonice a tensiunii şi considerarea acesteia ca o funcţie de frecvenţă.

Astfel, limitele specificate de Comitetul Internaţional de Electrotehnică (IEC) pentru sistemele de joasă tensiune permit o valoare de 8% pentru THDU şi includ limite pentru armonicile individuale, care descresc cu frecvenţa.

În standardul IEEE 519, distorsiunea armonică permisă pentru curent variază în funcţie de cauze şi sarcină.

2

Convertor static

Transformator de reţea

Rs Ls

PCC

Alte sarcini

is(t)= i1(t)+ ih(t)

Fig. 1 Explicativă pentru evidenţierea punctului comun de conexiune

Pentru evaluarea limitelor armonicilor, „Ghidul pentru aplicarea limitelor armonicilor în sistemele de putere” P519A/D6 din 1999 introduce anumite reguli generale, procedura fiind cea din figura 2.

SOLUŢII PENTRU PROBLEMELE ARMONICILOR

Cea mai bună soluţie de evitare a armonicilor este prevenirea lor prin alegerea unor echipamente care minimizează nivelul armonicilor în circuitul respectiv.

Multe din problemele de calitate a energiei, incluzând pe cele provenite de la armonici, apar când un echipament nou este adăugat „la întâmplare” într-un sistem mai vechi.

Totuşi, problemele pot fi rezolvate uneori prin soluţii simple, cu facilităţi existente, precum deplasarea unor sarcini între ramuri de circuit sau adăugarea de circuite adiţionale pentru a ajuta izolarea echipamentelor susceptibile a produce deformarea armonică.

3

Alegerea PCC

Calculul capacităţii de scurtcircuit (Ssc, Isc)

Există măsuri

de corectare a factorului de putere?

Calculul raportului de scurtcircuit (Isc / IL)

Calculul mediei curentului maxim solicitat de sarcină pe

fundamentală în PCC (IL)

Determinare spectru armonici (măsurare, analiză)

Sunt depăşite limitele armonicilor?

Măsuri pentru corectarea factorului de putere şi/sau

reducerea distorsiunii armonice

Măsurători de verificare şi calcule (dacă este necesar)

Este necesarăo evaluare detaliată?

DA

DANU

NU

DA

NU

Fig. 2 Evaluarea distorsiunii armonice conform Ghidului P519A/D6

Dacă problemele nu sunt rezolvate prin aceste metode simple, există două soluţii de bază care privesc tratarea simptomelor sau tratarea surselor armonicilor (Tabelul 1).

a) Fortificarea sistemului de distribuţie astfel încât să reziste la efectele armonicilor, prin instalarea unor conductoare de neutru duble, supradimensionate de cel puţin două ori, sau instalarea separată a conductoarelor de neutru pentru fiecare fază şi/sau instalarea unor transformatoare supradimensionate, care să permită disiparea unei călduri mai mari. Costul acestei fortificări poate fi însă foarte mare.

b) Instalarea unor componente care să atenueze sau să elimine armonicile . Strategiile de diminuare a armonicilor, începând cu cele mai ieftine până la cele mai scumpe includ filtre pasive, transformatoare de izolare, transformatoare pentru atenuarea armonicilor, sisteme de suprimare a armonicilor şi filtre active.

Tab. 1 Soluţii de bază pentru rezolvarea problemelor armonicilor

Soluţia Aplicaţii Observaţii

Fortificarea sistemului de distribuţie

Simplă, costuri relativ reduse, dar nu modifică distorsiunea armonică

Transformatoare de izolare

Acolo unde sursele armonicilor sunt ramuri de circuit separate de echipamentele de protejat împotriva efectelor armonicilor

Izolează, dar nu modifică distorsiunea armonică

Transformatoare pentru atenuarea armonicilor

Acolo unde există transformatoare încărcate semnificativ, cu un conţinut important de armonici şi/sau acolo unde sarcini critice sunt susţinute de surse neîntreruptibile

Reduc costurile de energie, dar sunt relativ scumpe.

Sisteme de suprimare a armonicilor

Pentru circuite care au numai sarcini monofazate, când calitatea energiei şi fiabilitatea ocupă un loc foarte important, (radio, televiziune, spitale ş.a)

Elimină sursa problemei şi reduc costurile de energie, dar sunt foarte scumpe.

Filtrele pasive Pentru circuite cu sarcini trifazate şi nesimetrii mici.

Ieftine comparativ cu filtrele active, dar nu se adaptează schimbărilor din sistem

Filtrele active Pentru circuite cu sarcini trifazate şi chiar posibile nesimetrii

Se adaptează schimbărilor din sistem, evită supraîncărcarea prin autoreglare, dar este cea mai scumpă soluţie

4

Transformatoarele de izolare sunt componente de filtrare care izolează armonicile in circuitul în care acestea sunt create, protejând echipamentele din amonte împotriva efectelor acestora. Aceste transformatoare nu elimină problema în circuitul care generează armonicile, dar pot preveni afectarea unor echipamente sensibile din vecinătate.

Transformatoarele pentru atenuarea armonicilor (HMT) uşurează realmente problema armonicilor. Acestea pot fi costisitoare ca preţ, dar sunt sigure şi reduc costurile de energie. Cele mai multe aplicaţii includ transformatoare a căror încărcare este moderată sau mare şi unde nivelul armonicilor de curent este semnificativ. Faţă de acestea, transformatoarele pentru atenuarea armonicilor sunt foarte eficace în suportarea sarcinilor critice susţinute de surse neîntreruptibile. UPS-urile şi generatoarele de siguranţă tind să aibă o impedanţă mare şi un nivel ridicat al distorsiunii tensiunii în cazul sarcinilor neliniare. De aceea, echipamentele care funcţionează impecabil alimentate de la reţeaua de putere pot o avea o funcţionare defectuoasă când intervine reţeaua de rezervă. De remarcat că, în anumite cazuri, pot exista filtre de ieşire (pasive sau active) pentru controlul nivelului armonicilor, de prezenţa cărora trebuie să se ţină seama înainte de a adăuga în sistem un transformator pentru atenuarea armonicilor.

Sistemul de suprimare a armonicilor (HSS) furnizat de Harmonics Ltd. este o soluţie pentru sistemele monofazate şi este proiectat pentru eliminarea armonicii de ordinul trei. Un astfel de sistem este, în general, mai scump decât un HMT, dar are rolul de a atenua problemele armonicilor în întregul sistem de distribuţie, nu numai în amontele transformatorului. Oportunitatea instalării unui HSS apare în cazurile în care calitatea energiei şi fiabilitatea ocupă un loc foarte important, aşa cum este în radio, televiziune sau spitale.

Filtrele pasive includ componente care oferă căi de impedanţă redusă pentru a direcţiona armonicile la pământ şi altele care oferă căi de impedanţă mare pentru a reduce circulaţia de armonici. Ambele componente, în funcţie de necesitate, schimbă caracteristicile impedanţei circuitului în care sunt inserate. Un alt dezavantaj al tehnologiei filtrelor pasive este, aşa cum sugerează şi numele, faptul că nu se pot adapta la schimbările din structura sistemului în care operează, cum este cazul inserării sau eliminării unor condensatoare pentru corectarea factorului de putere sau al adăugării unor alte sarcini neliniare. Aceste schimbări în sistem pot determina supraîncărcarea filtrului sau crea rezonanţe.

Filtrele active, în comparaţie cu cele pasive, îşi adaptează în permanenţă comportamentul referitor la spectrul armonicilor de curent din circuitul controlat şi nu produc rezonanţă. În plus, permit şi compensarea puterii reactive.

5

FILTRE DE INTRARE

Pentru reducerea conţinutului de armonici, în cazul unui CS dat, există două modalităţi:

1. înserierea unor inductivităţi pe intrarea convertotului, numite inductivităţi (reactanţe) de linie sau de reţea;

2. utilizarea filtrelor de armonici.

Reducerea armonicilor de curent prin introducerea reactanţelor de linie

În general, reactanţele pentru reducerea distorsiunii armonice a curentului sunt înseriate pe partea de curent alternativ a acţionărilor cu viteză variabilă, în vecinătatea reţelei de alimentare,aşa cum este arătat în figura 3a. Există însă şi posibilitatea înserierii reactanţelor cu sarcina (Fig. 3b).

Simpla adăugare a unor inductivităţi, în serie pe partea de curent alternativ, poate reduce semnificativ distorsiunea curentului.

Aceste bobine permit trecerea componentei fundamentale şi prezintă o reactanţă importantă faţă de armonicile superioare, producând atenuarea acestora. O măsură a inductivităţii introduse este mărimea adimensională numită impedanţă efectivă (notată cu le sau xe) şi definită prin relaţia:

. (1)

Mărimile care definesc impedanţa efectivă sunt:- pulsaţia corespunzătoare frecvenţei fundamentale;

L – inductivitatea introdusă pe fază;I1 – valoarea efectivă a fundamentalei curentului;Uf - valoarea efectivă a tensiunii de fază, presupusă nedeformată.

Este clar că, prin valoarea efectivă a fundamentalei curentului, impedanţa efectivă ţine seama de reactanţa totală a liniei şi nu numai de inductivitatea de linie.

Valorile uzuale ale impedanţei echivalente sunt de 3% - 5%.

6

Motor

Reactanţă delinie

Convertor static

R

S

T

a)

Motor

Reactanţă desarcină

Convertor static

R

S

T

b)

Fig. 3 Configuraţii tipice ale unui sistem de acţionare electrică cu reactanţe pentru reducerea distorsiunii armonice a curentului

Se menţionează, de asemenea, că factorul total de distorsiune a curentului corespunzător redresoarelor necomandate din componenţa convertoarelor statice de tensiune şi frecvenţă (CSTF) este dependent atât de inductanţa efectivă, cât şi de ponderea sa în totalul sarcinii în PCC , crescând odată cu aceasta (tab. 2). Se consideră că restul sarcinii, până la 100%, este constituit din curent nedeformat.

Ponderea sarcinii în PCC [%]

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

THDi

[%]le= 3% 4.4 9 13 18 22 27 31 35 40 44le=5% 3.5 7 11 14 18 21 25 28 32 35

Tab. 2 Valorile de referinţă ale THDi în funcţie de ponderea curentului deformat în PCC pentru două valori ale impedanţei efective.

Spectrele de armonici şi valorile factorului de distorsiune armonică obţinute pentru câteva valori ale reactanţei echivalente montate la intrarea unui redresor trifazat în punte necomandat şi o pondere a sarcinii în PCC de 100% sunt reprezentate în tabelul 3 şi figura 4.

Tab. 3 Efectul reactanţei de linie asupra armonicilor

Armonica de curent şi factorul de distorsiune

armonică

Impedanţa echivalentă

0.5% 3% 5%

I5 0.8 I1 0.4 I1 0.32 I1

I7 0.6 I1 0.16 I1 0.12 I1

I11 0.18 I1 0.073 I1 0.058 I1

I13 0.1 I1 0.049 I1 0.039 I1

I17 0.073 I1 0.03 I1 0.022 I1

I19 0.06 I1 0.022 I1 0.008 I1

THDI 1.025 0.441 0.35

7

1 5 7 11 13 17 190

0.2

0.4

0.6

0.8

1x

e=0.5%

xe=3%

xe=5%

Fig. 4 Spectrul de armonici al curentului pentru trei valori ale reactanţei echivalente

k

Ik / I1

Îmbunătăţirea formei de undă a curentului prin inserarea unei reactanţe de reţea este ilustrată de figura 5.

Pentru un redresor necomandat din componenţa convertorului static indirect de tensiune şi frecvenţă, prezenţa condensatorului din circuitul intermediar determină unele particularităţi.

Astfel, la curent de sarcină constant, THDi nu variază monoton în funcţie de valoarea inductanţei de reţea (fig. 5) şi are două puncte de extrem local, unul de maxim şi unul de minim.

Pentru valori ale inductanţei de reţea mai mari de 3.5mH, THDi tinde asimptotic către valoarea corespunzătoare undei dreptunghiulare, respectiv 31.08%. Influenţa deosebită a valorii inductanţei de reţea este ilustrată şi de formele de undă ale curentului la intrarea redresorului (fig. 7 şi 8).

8

0.5 1 1.5 2 2.5 330

40

50

60

70

80

90

THDi [%]

L [mH]

Fig. 6 Variaţia THDi în funcţie de valoarea inductanţei de reţea pentru un CSTF indirect

a)xe = 0.5%is [A]

t [s]

Fig. 5 Forma de undă a curentului absorbit din reţea de un redresor trifazat în punte necomandat pentru două valori ale reactanţei echivalente

b)xe = 3%is [A]

t [s]

Este interesant, şi are implicaţii practice deosebite, faptul că apropierea de valoarea minimă absolută a THD i – 31.08%, se produce la valori ale inductivităţii de reţea mai mari sau egale cu 4mH, iar valoarea corespunzătoare punctului de minim (circa 35%) se obţine cu o inductivitate de patru ori mai mică (fig. 6 şi 8.1).

Avantajele utilizării reactanţelor de reţea sunt legate în special de preţul redus şi îmbunătăţirea gradului de protecţie a convertoarelor statice din structura sistemului.

Însă, reducerea distorsiunii armonice este moderată, uneori insuficientă şi trebuie să se ţină seama de căderea de tensiune şi încălzirea provocate, mai ales la valori mari ale reactanţei.

9

Fig.7 Formele de undă ale curentului de fază, pentru valori extreme ale inductivităţii de reţea: a) valoare mică; b) valoare mare

L=0.5mH; le=5.6%; Id=100%;

THDi=75.7%

t

is

a)

L=4mH; le=45%; Id=100%; THDi=31.21%

t

is

b)

Fig.8 Forma de undă a curentului de fază în punctul de minim local al lui THDi (a) şi în punctul de maxim local al lui THDi (b)

L=0.75mH; Id=100%;

t

is

THDi=35.08%

le=8.33%;

a)

L=1.75mH; Id=100%;

t

is

THDi=86.12%

le=20.12%;

b)