3
Laborator Compatibilitate electromagnetic L5
LUCRAREA 5
Influena armonicilor de tensiune/curent asupra reelelor de joas
tensiune
5.1. Armonicile de tensiune/curent
Acestea sunt componentele sinusoidale situate ntre (50-2500) Hz,
n care poate fi descompus unda deformat a reelei. Deformarea undei
de tensiune atrage, dup sine, deformarea undei de curent. Cele mai
importante efecte negative sunt generate de curenii nesinusoidali
(deformai), ce conin armonici superioare armonicii fundamentale
(armonica de ordinul 1 de frecven 50 Hz) (fig. 5.1, 5.2).
Fig. 5.1. Curb deformat de curent (curba trasat cu linie
continu)
Fig. 5.2. Fundamentala cu armonicile de rang trei i de rang
cinci
Descompunerea undei nesinusoidale n componente sinusoidale se
face cu ajutorul seriei Fourier. Analiza se realizeaz n ultim
instan cu ajutorul spectrului de armonici.
Tipuri de echipamente care genereaz armonici
Curenii armonici sunt generai de sarcini neliniare. Acestea
includ:
Sarcini monofazate, de exemplu:
surse de putere n comutaie (Swiched mode power supplies
SMPS);
balasturi electronice pentru lmpile fluorescente;
uniti mici de alimentare nentrerupt (Uninterruptible power
supplies UPS);
Sarcini trifazate, de exemplu:
acionri cu vitez variabil;
uniti mari UPS.Sarcini monofazate
Majoritatea echipamentelor electronice moderne utilizeaz surse n
comutaie (SMPS). Acestea difer de sursele mai vechi n care
tradiionalul transformator cobortor i redresorul sunt nlocuite cu o
redresare direct comandat a alimentrii pentru a ncrca o baterie de
condensatoare, din care curentul continuu pentru sarcin se obine,
printr-o metod adecvat, la bornele de ieire, la tensiunea i
valoarea cerut a curentului. Avantajul pentru productorul de
echipamente este c dimensiunile, costul i greutatea sunt
semnificativ reduse i unitatea energetic poate fi realizat practic
pentru orice factor de form cerut. Dezavantajul n plus fa de
celelate tipuri este c n loc de curent continuu, sursa absoarbe,
din reeaua de alimentare, un curent sub form de pulsuri de curent
care conin o mare cantitate de armonici de rang trei i mai mari i
componente de nalt frecven armonic (fig. 5.3). Se prevede un filtru
la intrare pentru a conduce la pmnt componentele de nalt frecven
din curentul de faz i din conductorul neutru, ns acesta nu are
efect asupra curenilor armonici care se propag napoi spre
alimentare.
Fig. 5.3. Spectrul armonic tipic al unui calculator personal
Unitile UPS monofazate au caracteristici foarte asemntoare cu
echipamentele SMPS.
Pentru unitile de mare putere a aprut n ultimul timp tendina
realizrii de echipamente ce permit corecia factorului de putere
(Power factor corrector PFC). Acestea au rolul de a face ca sarcina
de alimentat s apar ca o sarcin rezistiv astfel nct curentul
absorbit s apar sinusoidal i n faz cu tensiunea aplicat.
Balasturi electronice pentru lmpi fluorescente
Balasturile electronice pentru lmpi fluorescente au devenit
populare n ultimii ani datorit necesitii creterii eficienei. n
general ele sunt doar cu puin mai eficiente dect cele mai bune
balasturi magnetice i, n fapt, ctigul cel mai mare rezult la
nivelul lmpii fluorescente care este mai eficient cnd este
alimentat la frecven ridicat dect la nivelul balastului electronic
nsui. Avantajul lor principal este c nivelul de iluminare poate fi
meninut pe o durat de via mai mare prin controlul curenilor din
lamp, practic ce conduce, ns, la o micorare a randamentului global.
Incovenientul principal este c genereaz armonici n reeaua de
alimentare. Tipurile de lmpi denumite cu corector de factor de
putere i care au un randament superior exist, dar sunt mai scumpe.
Lmpile de puteri mici nu sunt de regul prevzute cu circuite de
corecie.
Lmpile fluorescente compacte sunt destinate s nlocuiasc lmpile
cu incadescen cu filament de wolfram. Un balast miniaturizat este
plasat n soclul lmpii i controleaz tubul fluorescent cu diametrul
de 8 mm. Lmpile fluorescente cu o putere de 11 W sunt destinate s
nlocuiasc lmpile cu incandescen de 60 W i au o durat de via de 8000
ore.
Fig. 5.4. Spectrul armonic al unei lmpi fluorescente compacte
tipice
Spectrul curenilor armonici generai de aceste lmpi este
prezentat n fig. 5.4. Aceste lmpi sunt utilizate din ce n ce mai
mult nlocuind lmpile cu incandescen n sectorul casnic i, n special,
n hoteluri n care brusc au aprut probleme serioase datorate
armonicilor.
Sarcini trifazateVariatoarele de vitez, unitile UPS i
convertoarele de tensiune continu sunt de regul alimentate printr-o
punte trifazat (fig. 5.5), denumit i punte cu 6 pulsuri, deoarece
sunt ase pulsuri pe o perioad n curentul de ieire.
Fig. 5.5. Punte trifazat sau punte cu ase pulsuri
O punte cu 6 pulsuri genereaz armonici de rang , adic cu unu n
plus sau minus fa de orice multiplu de 6. n teorie, amplitudinea
fiecrei armonici este invers proporional cu rangul armonicii. De
exemplu: 20 % pentru armonica de rang 5 i 9 % pentru armonica de
rang 11 etc.. n fig. 5.6 este prezentat un spectru tipic de
armonici pentru o astfel de punte.
Fig. 5.6. Spectrul de armonici determinat de o punte tipic cu 6
pulsuri
Amplitudinea armonicilor este semnificativ redus dac se
utilizeaz o punte cu 12 pulsuri. n fapt este vorba de dou puni de 6
pulsuri alimentate de la nfurrile secundare conectate n stea i n
triunghi ale unui transformator (fig. 5.7), determinnd defazaje de
ntre tensiunile aplicate.
Fig. 5.7. Punte cu 12 pulsuri
Armonicile de rang sunt teoretic suprimate dar, n practic,
reducerea depinde de ajustarea convertorului i factorul tipic de
reducere este ntre 20 i 50. Armonicile de rang rmn neschimbate
(fig. 5.8). n acest caz curentul armonic total se reduce i,
totodat, armonicile care rmn sunt de frecven superioar i fac mai
uoar proiectarea unui filtru.
Fig. 5.8. Spectrul armonic al unei puni tipice cu 12 pulsuri
O cretere n continuare a numrului de pulsuri la 24, obinut prin
folosirea n paralel a dou uniti de 12 pulsuri cu o defazare de ,
reduce curentul armonic total pn la 4,5 % (din curentul de
alimentare). Instalaia ultra sofisticat crete, ns, costul, astfel
nct acest tip de echipament va fi utilizat numai cnd este absolut
necesar pentru a se ncadra n limitele impuse de furnizor.
Probleme generate de armonici
Curenii armonici determin probleme att la nivelul distribuiei ct
i la nivelul instalaiilor. Efectele i soluiile sunt foarte diverse
i vor fi tratate separat, n cadrul acestei prezentri; msurile
adecvate pentru ca efectele s fie controlate la nivelul
instalaiilor, nu asigur - n mod necesar i reducerea distorsiunilor
determinate de reeaua de alimentare i invers.
Probleme la nivelul instalaiilor
Exist mai multe probleme generale determinate de armonici:
Probleme determinate de curenii armonici:
suprancrcarea conductorului de nul de lucru;
supranclzirea transformatoarelor;
acionarea intempestiv a ntreruptoarelor;
suprasolicitarea condensatoarelor pentru corecia factorului de
putere;
efect pelicular n conductoare (distribuia neuniform a curentului
n interiorul conductorului; practic, densitatea de curent este mai
mare la suprafaa conductorului i mai mic n profunzimea
acestuia).
Probleme determinate de tensiunile armonice:
deformarea curbei tensiunii;
perturbarea funcionrii motoarelor asincrone (de inducie);
perturbaii la trecerea prin zero a curbelor.
Probleme determinate de curenii armonici la nivelul surselor de
alimentare.O parte din aceste probleme sunt analizate pe scurt n
cele ce urmeaz.
Suprancrcarea conductorului de nul de lucru
ntr-un sistem trifazat, curbele de tensiune ale fiecrei faze n
raport cu punctul neutru al conexiunii n stea sunt defazate cu ,
astfel nct dac fiecare faz este egal ncrcat, curentul rezultant pe
neutru este zero. Dac sarcinile nu sunt echilibrate, pe neutru se
transmite numai rezultanta sumei curenilor de ntoarcere. n trecut,
instalatorii (cu aprobarea autoritilor de standardizare) au folosit
acest fapt i au instalat conductoare de nul de lucru cu o seciune
pe jumtate fa de cea de faz. Totui, dac curenii de faz,
fundamentali, se anuleaz pentru curenii armonici nu rezult aceasta,
ci din contr curenii armonici cu rang multiplu de trei se adun n
conductorul neutru. Acest efect este ilustrat n fig. 5.9.
Fig. 5.9. Curenii armonici cu rang multiplu de 3 se adun n
conductorul neutru
n diagrama de mai sus, curenii de faz sunt defazai cu .
Armonica trei a fiecrei faze este identic, cu o frecven tripl i
are, deci, o perioad de trei ori mai mic fa de fundamental.
Curentul datorat armonicilor trei n neutru este reprezentat n
partea de jos a diagramei din fig. 25. n acest caz, curentul
armonic - pe faz - reprezentnd 70 % din curentul pe faz va
determina, la nivelul conductorului neutru, un curent armonic total
de 210 % din curentul de faz.
Msurtori efectuate n imobilele comerciale dau valori de ordinul
150 % pn la 210 % din curentul pe faz - n conductorul neutru de
multe ori cu seciune, dup cum s-a precizat la jumtate fa din
seciunea conductorului activ.
Sunt unele confuzii n ceea ce privete rezolvarea acestei
probleme de ctre proiectanii de instalaii electrice. Soluia simpl,
acolo unde sunt utilizate cabluri monoconductoare, este s se
realizeze dublarea seciunii neutrului fie ca dou conductoare
separate, fie ca un singur conductor cu secine mai mare. Nu este
simpl situaia n care se utilizeaz cabluri multiconductoare.
Dimensionarea cablurilor multiconductoare (de exemplu, este indicat
n recomandrile CEI 60364-5-523) presupune c sarcina este echilibrat
i prin conductorul neutru nu circul curent, cu alte cuvinte, numai
prin trei din patru sau cinci conductoare circul curent i se
nclzesc. Cum capacitatea maxim a cablului este definit numai prin
cantitatea de cldur pe care o poate disipa la temperatura maxim
admisibil, rezult c pentru cablurile prin care circul curenii
armonici de rang multiplu de trei sarcina admisibil trebuie redus.
n exemplul prezentat anterior, prin cablu circul cinci uniti de
curent trei n faze i dou n neutru dei el a fost dimensionat pentru
trei uniti. Sarcina lui admisibil trebuie redus, cu aproximativ,
60% din valoarea normal admisibil.Efecte n
transformatoareTransformatoarele sunt afectate de armonici pe dou
ci. n primul rnd, pierderile prin cureni turbionari, reprezentnd,
aproximativ, 10 % din pierderile la sarcin nominal, cresc cu
ptratul rangului armonicii. n practic, pentru un transformator
funcionnd la puterea nominal i care alimenteaz o sarcin cuprinznd
echipamente informatice (IT), pierderile totale vor fi de douz ori
mai mari dect n cazul unei sarcini liniare. Rezultatul este o
temperatur mult mai ridicat care conduce la o reducere
corespunztoare a duratei de via. n fapt, n aceste circumstane,
durata de via se reduce de la, aproximativ, 40 de ani la circa 40
de zile. Din fericire sunt puine transformatoare ncrcate la plin
sarcin, dar efectul trebuie luat n considerare cnd se selecteaz
instalaia.
Cel de-al doilea efect se refer la armonicile cu rang multiplu
de trei. Ele se regsesc n toate fazele nfurrii unui transformator
cu conexiune triunghi, acestea avnd un traseu circular n nfurri.
Curenii armonici cu rang multiplu de trei sunt efectiv absorbii de
nfurare i nu se propag spre alimentare, astfel nct
transformatoarele cu nfurare triunghi sunt utile ca transformatoare
de izolare. De precizat c celelalte armonici, care nu au rang
multiplu de trei, trec prin nfurare. Curentul de circulaie, care se
nchide ntre nfurri, trebuie luat n considerare la dimensionarea
transformatorului.Probleme cauzate de tensiunile armonice
Deoarece alimentarea are impedan intern, curenii armonici de
sarcin determin o distorsiune armonic a curbei de tensiune (aceasta
este originea formei fluctuante a tensiunii de alimentare, cunoscut
sub numele de efect flat topping). Sunt dou componente ale
impedanei: cea a legturii interne de la punctul comun de cuplare
(PCC) i cea proprie a alimentrii n PCC, de exemplu determinat de
transformatorul local de alimentare. n fig. 5.10 este prezentat
curba deformat.
Fig. 5.10. Deformarea curbei de tensiune cauzat de o sarcin
neliniar
Curentul de sarcin deformat, generat de sarcina neliniar,
determin o cdere de tensiune deformat pe impedana cablurilor.
Tensiunea deformat rezultat se aplic tuturor sarcinilor conectate
la acelai circuit, producnd cureni armonici care circul prin
acestea chiar dac sunt ele sunt sarcini liniare.
Soluia de separare a circuitelor care alimenteaz sarcini care
genereaz armonici, de cele care alimenteaz sarcini sensibile la
armonici este prezentat n fig. 5.11.
Fig. 5.11. Separarea sarcinilor liniare i neliniare
n acest caz, circuite separate alimenteaz sarcinile liniare i
cele neliniare din punctul comun de cuplare, astfel nct
distorsiunea de tensiune datorat sarcinii neliniare s nu afecteze
sarcina liniar.
La analiza nivelului de distorsiune a tensiunii armonice,
trebuie precizat c, atunci cnd sarcina este transferat la un UPS
sau un generator de rezerv, n timpul unei ntreruperi, impedana
sursei i distorsiunea de tensiune rezultant sunt mult mai mari.
Dac sunt instalate transformatoare locale, ele trebuie alese cu
o impedan intern suficient de mic i cu o capacitate suficient de
evacuare a cldurii suplimentare, cu alte cuvinte, sse aleag un
transformator supradimensionat corespunztor. De precizat c alegerea
unui transformator a crui mrire de capacitate se asigur prin
ventilare forat nu se recomand deoarece temperaturile ridicate vor
persista n interiorul echipamentului micornd durata lui de via.
Rcirea forat este indicat numai pentru sistemele de rezerv (de
intervenie) i nu voi fi folosite niciodat pentru funcionare n regim
normal.
Motoarele asincrone
Tensiunile armonice produc n motoarele asincrone o cretere a
pierderilor prin cureni Foucault, n acelai mod ca i n cazul
transformatoarelor. n plus, apar pierderi suplimentare datorate
generrii de cmpuri armonice n stator, fiecare dintre acestea avnd
tendina de a roti rotorul mainii cu o alt vitez, ntr-un sens sau
altul. Curenii de frecven nalt indui n rotor conduc la creterea
suplimentar a pierderilor.
Acolo unde sunt tensiuni armonice, motoarele trebuie descrcate
pentru a ine seama de pierderile suplimentare.
Perturbaii la trecerea prin zero a curbelor
Multe aparate electronice detecteaz punctul n care tensiunea de
alimentare trece prin zero, pentru a determina momentul de cuplare
a sarcinii. Aceasta se face deoarece cuplarea unei sarcini reactive
la tensiunea zero nu genereaz fenomene tranzitorii, reducnd
interferena electromagnetic ca i solicitrile la nivelul
ntreruptoarelor statice. Dac exist armonici sau fenomene
tranzitorii la nivelul alimentrii, numrul de treceri prin zero
crete, ceea ce conduce la disfuncionaliti. n fapt pot fi cteva
treceri prin zero ntr-o semiperioad.Probleme determinate de curenii
armonici la nivelul surselor de alimentare
Cnd un curent armonic este absorbit de sursa de alimentare,
acesta determin o cdere de tensiune armonic proporional cu impedana
sursei n punctul comun de cuplare (PCC) i cu valoarea curentului.
Deoarece reeaua de alimentare este de regul inductiv, impedana ei
va fi mai mare la frecvene mai mari. Evident tensiunea n PCC este
deformat de curenii armonici produi de ali consumatori i de
distorsiunea inerent transformatoarelor i fiecare consumator i
aduce contribuia sa suplimentar.Msuri privind limitarea
armonicilor
Msurile privind controlul curenilor armonici emii sunt analizate
n detaliu n multe lucrri. Acest modul cuprinde, doar, o prezentare
a diferitelor opiuni. Metodele de limitare pot fi mprite n trei
grupe: filtre pasive, transformatoare de izolare i reducere a
armonicelor i filtre active. Fiecare opiune prezint avantajele i
dezavantajele sale, nct nu exist o soluie ideal. Este foarte uor s
se cheltuiasc muli bani pentru o soluie impropie i ineficient.
Concluzia este c sunt necesare n prealabil studii aprofundate, iar
mijloacele necesare n acest scop fac obiectul, de asemenea, a
multor lucrri de specialitate.PAGE 9
_1285756918.unknown
_1285757113.unknown
_1285757513.unknown
_1285758863.unknown
_1285757037.unknown
_1285756503.unknown
