UTICAJ VIIH HARMONIKA U NAPOJNOJ MREI I NJIHOVO

POTISKIVANJE

Predmetni profesor: Dr eljko Despotovi, dipl.el.in

VISOKA KOLA ELEKTROTEHNIKE I RAUNARSTVA STRUKOVNIH STUDIJA-VIER, BEOGRADSTUDIJSKI PROGRAM: NOVE ENERGETSKE TEHNOLOGIJESPECIALISTIKE STUDIJEPREDMET: SPECIJALNE ELEKTRINE INSTALACIJE

~

UVOD Elektrina energija se obino prenosi u vidu tri naponska,

odnosno strujna talasa koji formiraju sinusni (kosinusni) trofazni sistem

Jedna od bitnih karakteristika ovih talasnih oblika je tomoraju biti to bii po svojim vrednostima sinusnom (kosinusnom) talasnom obliku.

Ako su ovi talasni oblici izoblieni iznad odreenih limita, onimoraju biti korigovani da bi zadovoljili prethodni zahtev

Izvori izoblienja i harmonika u mreama su: elektrinelune pei, statiki elektroenergetski pretvarai, sistemiosvetljenja i sl.

Osnovni cilj predavanja je da obezbedi sveobuhvatnijerazumevanje problema koji potiu od izvora izoblienja i harmonika ukjljuujui i njihove uzroke

U predavanju e biti predstavljeni neki tipini problemi i koji su posledica viih harmonika u mrei, kao i reenja kojadaju zadovoljavajue rezultate u praktinim primenama

TA SU UOPTE HARMONICI? U AC industrijskim energetskim mreama promene struje i napona u

vremenu, i(t) i u(t)- (vremenski talasni oblici) se u optem sluaju razlikujuod istog harmonijskog sinusnog (kosinusnog) talasa

(a)

(c)

(b)

(d)

Posmatrajmo uoptenopravogaoni talasnioblik struje ili napona datna sl. (d) . Ovaj talasnioblik se priblino moepredstaviti sa talasnimoblikom na sl.(b) kao zbiretiri prostoperiodinasinusna talasa, odnosnoetiri HARMONIKA kaoto pokazuje slika (a).To su harmoniciuestanosti:f1-osnovni harmonik i ostali vii harmonici :f3=3fo,f5=5fo, f7=7foNa sl.(c) je dat talsni oblikkao zbir osnovnogHarmonika fo i 22 viaharmonika 3f1, 5f1, 7f1,9f1

ZBIR OSNOVNOG HARMONIKA I TREEG HARMONIKA

PERIODIAN ALI IZOBLIEN TALASNI OBLIK

T

STRUJAOPTEREENJA

5-ti harmonik

3-i harmonik osnovnakomponenta

niska impedansavisoka impedansa

Tipino nelinearnooptereenje- izvori napajanja(PC napajanje, tazniispravljai)

Izvor viih harmonikato se tie struje

STRUJA OPTEREENJA je bogata harmonijskimsadrajem

REALAN SNIMAK ULAZNOG NAPONA I ULAZNE STRUJE JEDNOG PC NAPAJANJA 220W (220V/1A)

OCILOSKOPSKI SNIMAK SADRAJ HARMONIKA

VRNA VREDNOST ULAZNE STRUJE 10ATRAJANJE STRUJNOG PIKA OKO 1ms

TA SU HARMONIJSKE KOMPONENTE?

Termin HARMONIJSKA komponenta iliHARMONIK se odnosi na bilo koju od sinusnih komponenti, ija je uestanost jednakacelobrojnom umnoku uestanosti osnovnekomponente f1.

Amplituda harmonika je u optem sluaju odreeni% od amplitude osnovne (fundamentalne) komponente f1.

TA JE RED HARMONIKA? Red harmonika (harmonijski broj)- n HARMONIC ORDER (engl.) Reh harmonika (harmonijski broj) je odnos

uestanosti n-tog harmonika fn i uestanostiosnovne (fundamentalne) komponente f1

U energetici je obino f1=50Hz (60Hz)Red harmonika osnovne uestanosti je jednak 1

TA JE SPEKTAR HARMONIKA? Spektar harmonika je raspodela amplituda razliitih harmonika u funkciji

reda harmonika esto se spektar harmonika daje pregledno u obliku histograma

amplituda

red harmonika

-Amplituda harmonika opada saporastom reda harmonika

-Prema standardima za red harmonikan > 40, amplituda harmonika se zanemaruje

A1

A3A5

TA JE FURIJEOV RED? Bilo koji periodini talasni oblik y(t), nepravilan ili

izoblien, moe se predstaviti matematikim redom FURIJEOVIM REDOM u formi:

Amplituda DC komponente(u optem sluaju za distributivnumreu jednaka nuli)

Efektivna vrednost (RMS) n-tog harmonika

Fazni ugao n-tog harmonika

KAKO IZGLEDAJU FURIJEOVI REDOVI NEKIH IZOBLIENIH TALASNIH OBLIKA KOJI SE NAJEE SUSREU U ENERGETSKIM POSTROJENJIMA?

TALASNI OBLIK FURIJEOV RED

TALASNI OBLIK FURIJEOV RED

TALASNI OBLIK FURIJEOV RED

DirakoviImpulsi

POLUTALSANI ISPRAVLJA

Signal kod polutalasnog ispravljaa

Furijeov red

jednosmerna (DC) komponenta signala

PUNOTALASNI ISPRAVLJA

Signal kod punotalasnog ispravljaa

Furijeov redjednosmerna (DC) komponenta signala

m-fazni ispravlja

jednosmerna (DC) komponenta signala

Signal kod punotalasnog ispravljaa

Furijeov red

m = 3 (trofazni ispravlja)m = 6 (estofazni ispravlja)

m-ceo broj , m>1

EFEKTIVNA VREDNOST IZOBLIENOG TALASNOG OBLIKA

Za isto peostoperiodini talasni oblik(sinusni, odnosnokosinusni) efektivna vrednost je jednaka MAX VREDNOST/2

Za izoblieni talasni oblik, u ustaljenom stanju, energija disipirana Dulovim efektom, je jednakazbiru energija disipacije svake pojedinaneharmonijske komponente (harmonika):

HARMONIJSKI ODNOS-SADRAJ HARMONIKA

Obino se radi o procentualnom iznosu Odnos RMS vrednosti n-tog harmonika i RMS vrednosti osnovnog

harmonika Harmonijski odnos n-tog harmonika In (nije nominalna vrednost):

Ili u procentima (%)

Obino se harmonijski odnos daje u funkciji reda harmonika-n

HARMONICI-monofazni nelinearni prijemnik

AC

DC

L1

N

~

HARMONICI-trofazni nelinearni prijemnik

AC

DC

L1~

L2L3

~~

UKUPNO HARMONIJSKO IZOBLIENJE- T H D

Total Harmonic Distortion (THD) Ponekad se samo naziva distorzija, a oznaabva se sa D THD kvantitativno izraava termiki efekat viih

harmonijskih komponenti (sve ostale osim osnovnogharmnonika)

THD se izraunava na osnovu dve definicije odnosno nadva naina!!!!!!

Jedna uzima u obzir odnos svih viih harmonika i osnovnekomponente, dok druga uzima u obzir odnos svih viihharmonika i ukupne efektivne vrednosti

OSNOVNA JEDNAINA ZA THD Prema standardu IEC 61000-2-2

Po ovoj definiciji D moe imati vrlovelike vrednosti (>>1)

DRUGA DEFINICIJA ZA THD U sluaju kada hoemo da vrednosti D

normalizujemo na opseg 0 < D < 1 koristimo definiciju:

NAPOMENA: Ukoliko nije drugaije naznaeno koristiemo definiciju po IEC 61000-2-2

GLAVNE SMETNJE IZAVANE HARMNONICIMA STRUJE I NAPONA

Harmonici struje i napona superponirani naosnovni harmonik imaju sloeni uticaj na opremu i ureaje koji su povezani u napojnoj mrei

Negativan uticaj ovih viih harmonika zavisi odtipa optereenja i obuhvata:

- trenutne efekte-dugotrajne efekte (posledica grejanja)

TRENUTNI EFEKTI VIIH HARMONIKA Harmonici napona mogu remetiti rad kontrolera

koji se koriste u upravljakim elektronskimsistemima (na primer poremeaj sinronizacijetiristorskih pretvaraa)

Harmonici mogu prouzrokovati dodatne greke u brojilima sa obrtnim diskom (na primer brojiloklase tanosti 2 e poveati greku za 0.3% usled 5-tog harmonika u struji i naponu, sadraja5%

MTK ureaji daljinske kontrole u distributivnimpreduzeima mogu biti znaajno ometaniprisustvom viih harmonika u mrei

Vibracije i um Interferenca komunikacionih i kontrolnih kola

VIBRACIJE I UM Elektrodinamike sile proizvedene trenutnim

vrednostima struja (sa visokim harmonijskimsadrajem) mogu izazvati buku i vibracije, odnosno tzv. akustiki um

Naroito se ovo odnosi na elektromagnetneureaje (transformatori, elektrine maine, reaktori,)

Pulsirajui mehaniki obrtni momenat usledharmonika struja, odnosno harmonika obrtnihpolja mogu proizvesti vibracije u obrtnimmainama

INTERFERENCA KOMUNIKACIONIH I KONTROLNIH KOLA

Poremeaj se primeuje kada se komunikaciona i upravljaka kola nalaze nastrani izoblienog mrenog napajanja

Parametri koji se moraju uzeti u obzirukljuuju duinu paralelnih kola, meusobno rastojanje izmeu njih, uestanosti viih harmonika i sl.

Stepen sprege raste sa poveenjemuestanosti odnosno sadraja harmonika

DUGOTRAJNI EFEKTI VIIH HARMONIKA

Pored mehanikog zamora i vibracijajedan o dugotrajnih efekata koji imaznaajan uticaj je grejanje

Kada se govori o termikim efektima mislise na:

- grejanje kondenzatora- dodatne gubitke u obrtnim mainama i transformatorima-grejanje kablova i ostale opreme

TERMIKI EFEKTI U KONDENZATORIMA

Grejanje kondenzatora je posledica dva efekta: gubitakausled provodnosti i dielektrinog histerezisa

U prvoj aproksimaciji proporcionalno je kvadratuefektivne vrednosti struje

Kondenzatori su jako osetljivi na preoptereenje, kakozbog prevelike osnovne harmonijske komponente, tako i zbog prisustva viih harmonika napona

Preveliko grejanje moe dovesti do dielektrinog proboj Merilo ovih gubitaka je tzv. TANGENS GUBITAKA

kondenzatora koji je odreen fazorskim dijagramomsnaga

TANGENS GUBITAKA

FazorskiDijagramsnaga

Fazorski DijagramNapona i struja

tg=IR/Ic

IR=U/R

Ic=U/Xc

Xc=1/C

tg=1/CRTipine vrednosti 1.210-4

UESTANOST ZNAAJNO UTIE NA TANGENS GUBITAKA

GREJANJE USLED DODATNIH GUBITAKA U OBRTNIM MAINAMA i TRANSFORMATORIMA

Dodatni gubici u statoru (bakar+gvoe) i gubici u rotoru(priguni namotaji i magnetna kola) prouzrokovani znaajnomrazlikom u brzini izmeu indukovanih obrtnih polja usledharmonika i brzine rotora

Rotorske indukovane struje, temperature namotaja i ostaleveliine je jako teko izmeriti

Dopunski gubici u transformatorima usled povrinskog-skin efekta (porast otpornosti Cu namotaja usled povienihuestanosti), histerezisni i gubici usled vrtlonih struja(magnetnim limovima)

Gubici usled vrtlonih struja zavise od kvadrata uestanosti

GREJANJE U KABLOVIMA USLED VIIH HARMONIKA

Gubici u kablovima se poveevaju usled harmonika struje, to dovodi do njihovog dodatnog zagrevanja

Dodatno zagrevanje je prouzrokovano mnotvom uticaja Poveanje RMS vrednosti struje za istu snagu potronje Porast otpornosti usled povrinskog efekta Porast dielektrinih gubitaka u izolaciji sa porastom

uestanosti (ako je kabl podvrgnut naponskom distorzijom) Blizinski efekat provodnika u odnosu na metalni kablovski

plat uzemljen na oba kraja Proraun gubitaka je obuhvaen standardom IEC 60287

GREJANJE ELEKTRINE OPREME USLED VIIH HARMONIKA

Uopteno govorei, sva elektrina oprema (elektrinirazvodni ormani) koja je pod dejstvom naponskihharmonika, a takoe i strujnih ( koji su posledicanaponskih), je izloena porastu energije gubitaka.

Ova energija mora biti redukovana ili ak potpunosmanjena

Tako na primer kondenzator za kompenzaciju reaktivneenergije treba da bude predimenzionisan oko 1.3 puta, aliovaj faktor ne uzima u obzir poveano zagrevanje u provodnicima usled povrinskog (skin) efekta.

KAKO IZMERITI SADRAJ HARMONIKA, THD.?

Harmonijska distorzija struja i napona se merikorienjem spektralnih analizatora, koji obezbeujumerenje amplitude svake harmonijske komponente.

Veoma bitno je koristiti strujne i naponske senzore kojimoraju imati zahtevanu tanost (klasu tanosti) , kao i dovoljno irok frekventni propusni opseg

Efektivna vrednost izobliene struje se moe oceniti, odnosno izmeriti na tri naina

Merni elementi koji mere trenutnu stvarnu vrednost struje i stvarnuvrednost RMS (true RMS)

Rekonstrukcijom spektra koji je dobijen spektralnom analizom Estimacijom na osciloskopskom displeju

TROFAZNO i MONOFAZNO MERENJEspektralni analizatori

Monofazno merenjeTrofazno merenje

SpectralPower Analyser Spectral

Power Analysers

SPEKTRALNI ANALIZATORI (Spectral Power Analyser)

LEM modul

Spektralni analizatori

Veoma bitno je tano merenje struje

MERENJE TRENUTNE VREDNOSTI STRUJE-LEM senzor

Precizno merenje trenutne vrednosti struje u irokom frekventnom opsegu (merenje veoma brzih pojava na nivou 100-200ns se ostvaruje strujnim LEM modulima. Glavni deo davaa predstavlja Holov senzor koji se stavlja u procep torusa kroz koji se provlai provodnik ija se struja meri. Senzor se napaja sa eksternim naponom (tipino 12VDC), a na izlazu daje napon koji je proporcionalan indukciji u procepu odnosno vrednosti primarne struje. Signal sa senzora se pojaava i vodi na izlazni tranzistorski stepen (naponski sleditelj) koji se pobuuje u ritmu napona na senzoru . Izlazni tranzistori ustvari napajaju namotaj na torusu tako da kompenzuju struju primara te je magnetno polje u vazdunom procepu jednako nuli. Na otporniku se meri ova kompenzujua struja koja je preslikana struja primara u odnosu . Prednost ovog davaa sa povratnom spregom je to nema problema vezanih za zasienje magnetnog materijala torusa i to je propusni opseg davaa od DC do par stotina MHz (tipino do 200MHz). Proticanjem kompenzacione struje kroz merni otpornik dobija se eljeni napon na izlazu davaa.

HARMONICI-PRIHVATLJIVE GRANICE, PREPORUKE i STANDARDI

OPTA OGRANIENJA: Sinhrone maine : dozvoljeno izoblienje struje

statora 1.3.1.4%; Asinhrone maine : dozvoljeno izoblienje struje

statora 1.5 ..3.5%; Kblovi: dozvoljeno izoblienje jezgro-plat ,

naponska distorzija do 10%; Energetski kondenzatori: distorzija struje 83%,

pri preoptereenju od 30% (1.3 puta); prekoraenje napona moe dostii 10%.

STANDARDIZOVANI LIMITI ZA HARMONIKE

Serija standarda IEC-61000 zaelektromagnetnu kompatibilnost definiuneke limite

IEC

NEPARNI HARMONICINE VEI OD n=1

NEPARNI HARMONICIDELJIVI SA n=3

PARNI HARMONICI

Poreenje nivoa kompatibilnosti za individualne harnonijske komponente naponau NN distributivnoj mrei (IEC 61000-2-2).

RED HARMONIKA

NAPONSKIHARMONICI

NAPONSKIHARMONICI

RED HARMONIKA

RED HARMONIKA

NAPONSKIHARMONICI

NAPONSKIHARMONICI

LIMITI HARMONIJSKE EMISIJE PO IEC61000-3-2 i IEC 555-2

KLASA A:

-simetrini trofazniprijemnici-dimeri za svetiljke-audio oprema

KLASA B:-Portabilni alati

KLASA C:-oprema za osvetljenje

KLASA D:-PC raunari-PC monitori-TV prijemnici do 600W

POVEANJE EFIKASNOSTI NAPOJNE MREE

-nii gubici na mrenoj impedansi-manje izoblienje napona (cross-coupling)-vea raspoloiva snaga izvora -vea efikasnost prenosnih puteva-bolji kvalitet elektrine energije -zadovoljenje propisa EMC

USAGLAAVANJE SA STANDARDIMA IEC 555, IEC61000, EN6055, IEEE 519, .... itd.

ZATO UOPTE REDUKCIJA ZAGAENJA NAPOJNE MREE VIIM HARMONICIMA?????

METODE ZA ELIMINACIJUVIIH HARMONIKA??

KORIENJE PASIVNIH KOMPOMONENTI KORIENJE AKTIVNIH KOMPONENTI NAPREDAN NAIN: AKTIVNA KOREKCIJA

FAKTORA SNAGE

PASIVNE METODE ZA SUZBIJANJE VIIH HARMONIKA

OVA METODA SE BAZIRA NA KORIENJU PASIVNIH ELEMENATA (PRIGUNICA I KONDENZATORA)

ONA SE U NAPAJANJIMA MOE OSTVARITI NA VIE NAINA :

-postavljanjem prigunice na AC strani (ka mrei)-postavljanjem prigunice na DC strani (na izlazu ispravljaa)-korienjem serijski rezonantnog LC kola na AC strani (band-passfilter)-korienjem paralelnog LC kola na AC strani (band-stop filter)-korienjem harmonijskih filtera na AC strani (trap filter)-korienjem LCD filtera na DC strani

PRIGUNICA NA AC STRANI (na strani mree)

PRIGUNICA NA DC STRANI (na izlazu diodnog ispravljaa)

BAND PASS SERIJSKI LC FILTAR NA AC STRANI (na strani mree)

BAND STOP PARALELNI LC FILTAR NA AC STRANI

KORIENJE HARMONIJSKIH TRAP FILTERA NA AC STRANI

LCD (L-dioda-C) filter na DC strani

PROBLEMI KOD PASIVNE REDUKCIJE VIIH HARMONIKA

KORIENJE VELIKIH I GLOMAZNIH PASIVNIH ELEMENATA

CENA OPREME ZNAAJNA DISIPACIJA U PASIVNIM ELEMENTIMA PROBLEM KORIENJA PRIGUNICA NA DC

STRANI (zasienje, DC komponenta fluksa...) SMANJENJE DC NAPONA NA IZLAZU

ISPRAVLJAA (koji dalje napaja ostale sklopove: invertor, potroa, .....

REENJE ?

AKTIVNA KOREKCIJA FAKTORA SNAGE

Active Power Factor Correction

POREENJE KLASINOG I SAVREMENOG REENJA ELIMINACIJE HARMONIKA

Eliminacija Harmonika

ULAZNA STRUJA

MRENI NAPON

Ulazna strujanapajanjabez eliminacijeharmonika

Faktor snage:jako lo (MALI KVALITET)

100V/c

10A/c

A KAKVI SU STVARNI TALASNI OBLICI ULAZNE STRUJE

NAPAJANJA BEZ ELIMINACIJE HARMONIKA??????????

ULAZNA STRUJA

MRENI NAPON

Ulazna strujanapajanjasa prigunicom postavljenom prema mrenom napajanjuFaktor snage: PF=0.75

200V/c

5A/c

ULAZNA STRUJA

MRENI NAPON

Ulazna strujatipinog napajanjasa korekcijom faktora snage Faktor snage:PF=1KVALITETNI TALASNI OBLIK STRUJE

100V/c

1A/c

U OVOM SLUAJU NAPOJNA MREA VIDIISPRAVLJA PRIBLINO KAO OMSKU OTPORNOST

ZAKLJUAK ELIMINACIJOM VIIH HARMONIKA SE POSTIU

SLEDEI POZITIVNI EFEKTI:

+POVEANJE EFIKASNOSTI NAPOJNE MREE+REDUKCIJA ZAGAENJA NAPOJNE MREE

U VEINI ZEMALJA U SVETU SU USVOJENI STANDARDI ZA PFC : IEC 555, IEC61000, EN6055, IEEE 519, .... itd.

U BUDUNOSTI TREBA OEKIVATI USVAJANJE OVIH STANDARDA I KOD NAS

DOBAR RAZLOG I MOTIV ZA PROUAVANJE OVE OBLASTI!!!!!

MAJ 2013 Dr eljko Despotovi, dipl.el.in