Universitatea Politehnica BucurestiFacultatea de Inginerie Electrica

mbuntireasoluiei de compensare a armonicilor de curent produse de consumatorineliniari

mbuntireasoluiei de compensare a armonicilor de curent produse de consumatorineliniari

mbuntirea soluiei de compensare a armonicilor de curent produse de consumatori neliniari

~ Cercetare - Semestrul III ~

Masterand:Coordonator: Alexandra IONESCUl.dr.ing. Ana-Maria DUMITRESCUEPA II

Cuprins

ntroducere3Capitolul 1. Cauze i efecte ale armonicilor41.1.Generarea armonicilor41.2.Probleme determinate de armonici i probleme la nivelul instalaiilor51.3.Msuri pentru limitarea armonicilor51.3.1Filtre pasive61.3.2Transformatoare de izolare61.3.3Filtre active6Capitolul 2. Filtre active de reea62Filtrele active serie83Filtrele active paralel84Filtru hibrid8Capitolul 3. Analiza armonicilor de curent9Capitolul 4. Compensarea armonicilor de curent125. Observaii i concluzii18Bibliografie20

Introducere

Problemele de calitate a energiei electrice, importante pentru funcionarea sistemelor energetice n ansamblu, au cptat n ultimii ani o actualitate i o importan deosebit mai ales datorit apariiei unor consumatori din ce n ce mai sensibili la perturbaii. In urma cu zece ani, armonicele nu erau inca considerate o problema reala deoarece efectele lor asupra retelelor de distributie erau in general minore. Introducerea masiva a electronicii de putere in echipamente electrice a facut ca acest fenomen sa ia amploare in toate sectoarele de activitate din prezent.Aceast situaie a fcut s existe o preocupare permanent pentru calitatea energiei electrice, planificarea i monitorizarea acesteia, standardizarea emisiilor perturbatoare i stabilirea de niveluri de compatibilitate pe plan internaional. Armonicile n instalaiile electrice rezult datorit curenilor i o mare parte datorit efectelor nocive. Atunci cnd armonicile se propag prin sistemul de distribuie, n laturile reelei acestea se regsesc ca i tensiuni [2].Armonicile cel mai frecvent intalnite in retelele de distributie trifazate sunt cele impare. n mod normal amplitudinea armonicilor scade pe masura ce frecventa creste. Peste ordinul 50, armonicile sunt neglijabile si masuratorile nu mai au nici o semnificatie. Masuratori suficient de precise se obtin masurand armonicile pana la ordinul 30.Serviciile publice de electricitate monitorizeaza armonicile de ordin 3, 5, 7, 11 si 13. n majoritatea cazurilor tratarea armonicilor de ordin mic este suficienta pentru rezolvarea problemelor. Cele mai exigente conditii iau in considerare armonicile pana la ordinul 25 atunci cand se implementeaza metodele de comanda si control.Pentru o analiza cat mai precisa este utila determinarea factorului total de distorsiune (Total harmonic distortion - THD) chiar dac se cunoate spectrul armonicilor de cureni in cadrul sistemelor electrice.Studiile internationale bazate pe datele colectate in diferite retele electrice de distributie au permis estimarea armonicilor tipice ce pot fi intalnite in majoritatea retelelor electrice si au stabilit anumite nivele care nu ar trebui depasite.

Capitolul 1. Cauze i efecte ale armonicilor

1.1. Generarea armonicilorPrezenta armonicilor indica o forma de unda distorsionata a curentului sau a tensiunii. Forma distorsionata a undei de curent sau tensiune inseamna ca distributia energiei electrice este perturbata iar calitatea energiei electrice nu este cea optima. Curentii armonici sunt produsi de sarcinile neliniare conectate la reteaua de distributie.Aparatele si sistemele care produc armonici sunt prezente in toate sectoarele cum ar fi cel industrial, comercial si rezidential, acestea fiind produse de sarcini care absorb un curent cu o forma de unda diferita de forma de unda a tensiunii de alimentare.Exemple de sarcini neliniare: echipamente industriale (aparate de sudura, cuptoare cu arc, cuptoare cu inductie,redresoare); variatoare de viteza pentru motoare asincrone sau de curent continuu; surse neintreruptibile (UPS-uri); echipament de birou (computere, copiatoare, fax-uri, etc.); aparate casnice (televizoare, cuptoare cu microunde, iluminat fluorescent); aparatura necesitand saturatie electromagnetica (transformatoare). [3].

Armonicele de tensiune sunt produse la randul lor de circulatia armonicilor de curent prin impedantele circuitului de alimentare (transformator si reeaua de distributie pentru situatii similare celei aratate in Fig. 1).

Figura 1. Schema monofilara aratand impedanta circuitului de alimentare pentru o armonica de ordinul h.Reactanta unui conductor creste in functie de frecventa curentului care circula prin acel conductor. Pentru fiecare armonica de curent de ordin h exista deci o impedanta Zh a circuitului de alimentare. Cand armonica de curent de ordin h circula prin impedanta Zh, se creaza o armonica de tensiune Uh.

Tensiunea in punctul B este deci distorsionata. Toate aparatele alimentate prin punctul B primesc o tensiune distorsionata. Pentru o armonica de curent data, distorsiunea este proporionala cu impedanta retelei de distributie.

1.2. Probleme determinate de armonici i probleme la nivelul instalaiilor

De regul curenii armonici determin probleme la nivelul distribuiei i la nivelul instalaiilor. Efectele i soluiile lor sunt diverse i sunt tratate separat, astfel c msurile necesare pentru ca efectele s fie controlate la nivelul instalaiilor, nu asigur n mod necesar i reducerea distorsiunilor determinate de reeaua de alimentare i invers [3].

Exist tipuri distincte de probleme generale determinate de armonici precum:1. Problemele determinate de curenii armonici [2]: suprancrcarea conductorului de nul de lucru; supranclzirea transformatoarelor; acionarea intempestiv a ntreruptoarelor; suprasolicitarea condensatoarelor pentru corecia factorului de putere; efect pelicular n conductoare.

2. Problemele determinate de tensiunile armonice [2]: deformarea curbei tensiunii; motoarele de inducie; perturbaii la trecerea prin zero a curbelor.

Cea mai simpla solutie de evitare a arminicilor de curent este cea de separare a circuitelor care alimenteaz sarcini ce genereaz armonici, de cele care alimenteaz sarcini sensibile la armonici, exist circuite separate ce alimenteaz sarcinile liniare i cele neliniare din punctul comun de cuplare, astfel nct distorsiunea de tensiune datorat sarcinii neliniare s nu afecteze sarcina liniar [2].1.3. Msuri pentru limitarea armonicilor

Metodele de limitare sunt mprite astfel: filtre pasive, transformatoare de izolare i reducere a armonicilor i filtre active. Fiecare opiune prezint avantajele i dezavantajele sale, astfel c nu este ceva standard.1.3.1 Filtre pasiveFiltrele pasive sunt folosite pentru a realizarea unei ci de impedan redus pentru curenii armonici astfel ca ei s poat s circule n filtre i nu n sistemul de alimentare.Acest filtru poate fi utilizat pentru o singur armonic sau pentru o serie de armonici [2].1.3.2 Transformatoare de izolareLa fel ca i n cazul efectelor n transformatoare, curenii de rang multiplu de trei au un traseu circular n nfurrile triunghi ale transformatoarelor. Chiar dac este o problem a fabricanilor de transformatoare i a utilizatorului, aceasta poate fi un avantaj pentru proiectantul de sistem deoarece armonicile de rang multiplu de trei sunt izolate fa de alimentare.Acelai efect se poate obine utiliznd transformatoare cu conexiune zig-zag, unde transformatoarele zig-zag sunt de fapt autotransformatoare cu conexiune stea, avnd nfurrile conectate n paralel cu reeaua de alimentare cu o defazare particular a tensiunilor rezultate [2].1.3.3 Filtre activeFiltrul activ este un echipament de tip unt n care un transformator de curent msoar coninutul armonic al curentului de sarcin i comand o surs de curent s genereze o copie exact a curentului care va fi injectat n perioada urmtoare.Curentul armonic este generat de filtrul activ i numai curentul fundamental este absorbit din reeaua de alimentare [2].Asadar aceste sisteme cuprind electronica de putere si instalate in serie sau in paralel cu sarcina neliniara, compenseaza curentul sau tensiunea armonica absorbita de catre sarcina.Capitolul 2.Filtre active de reeaEchipamentele de limitare a armonicilor pot fi destinate pentru a satisface cerinele furnizorilor de sau de a rezolva problemele ridicate de curentul armonic n instalaie [4].n locurile unde sunt n funciune echipamente informatice (IT), toate armonicile impare existente determin probleme, precum suprancrcarea conductorului neutru cu armonici de rang multiplu de trei. Aceste probleme pot fi evitate printr-o proiectare corespunztoare, prin dimensionarea corect a cablurilor la instalarea lor [4].Utilizarea filtrelor pasive esteposibil, ns este dificil de proiectat un circuit pasiv eficient, de filtrare pentru armonica de rang trei. Un filtru pasiv va rspunde numai la armonicile pentru care a fost proiectat, nct vor fi necesare noi circuite de filtrare individuale pentru alte frecvene armonice nedorite. Atunci cnd spectrul armonic se modific, este necesar reamplasarea sau suplimentarea filtrului pasiv. Transformatoarele n zig-zag sau transformatoarele n triunghi de izolare sunt eficiente contra armonicilor cu rang multiplu de trei, dar nu au efect asupra altor armonici. n aceste cazuri, utilizarea filtrelor active reprezint o soluie foarte bun [3].n mod convenional, filtrele pasive sunt folosite pentru compensarea armonicilor de curent, dar sufer de problema de rezonanelor serie i paralel precum i dependena de performan a acesteia asupra impedanei surse. Aceste dezavantaje pot fi depite prin utilizarea filtrelor de putere activ, care au fost pe larg cercetate pentru compensarea armonicilor [1].Principiul unui filtru activ este foarte simplu. Folosind electronica de putere pentru generarea armonicilor de curent electric cerute de sarcina neliniar, sursa normal de alimentare este destinat s asigure numai componenta fundamental a curentului. Curentul de sarcin este msurat cu ajutorul transformatorului de curent, al crui curent secundar este analizat de procesorul DSP pentru a determina spectrul armonic Aceast informaie este utilizat de sursa de curent pentru a genera exact armonicile de curent cerute de sarcin, n perioada urmtoare a fundamentalei. n practic, curentul armonic cerut de la sursa de alimentare se reduce pn la aproximativ 90% [4].

Figura 2. Principiul de funcionare al unui filtru activ [4]

Din cauz c filtrul activ se bazeaz pe datele de la transformatorul de msurare de curent electric, acesta este adaptat rapid la modificarea componenei spectrale a sarcinii. Procesul de analiz i generare este controlat prin soft, astfel c echipamentul este programat s asigure eliminarea armonicilor nedorite pentru a realiza o eficien maxim n limitele posibile ale echipamentului [4].

Exist mai multe topologii ale filtrelor active, ns fiecare dintre acestea are propriile sale condiii privind dimensionarea componentelor i metode specific de dimensionare a ntregului filtru depinznd de sarcina pe care o are. Aceste topologii sunt prezentate n urmtoarele subcapitole.

2 Filtrele active serie

Acest tip de filtru, numit i FAT filtru activ de tensiune, este conectat n serie n reelele de distribuie, i asigur compensarea armonicilor de curent electric generate de sarcin i tensiunea deformat. Aceasta estefoarte asemntor din punct de vedere tehnic cu un filtru de reea, ns trebuie dimensionat pentru ntreaga sarcin [4].

Figura 3. Filtru activ serie [4]3 Filtrele active paralel

Filtrele active paralel - filtre active de curent (FAC), sunt echipamente conectate n paralel cu sursa de alimentare i dimensionate numai pentru curenii armonici absorbii de sarcina/sarcinile neliniare [4].

a.b.Figura 4. Filtru activ paralel (a) si hibrid (b)4 Filtru hibrid

n aceast situaie, filtrul hibrid este o combinaie ntre un filtru activ i unul pasiv. Din punct de vedere economic uneori pare a fi soluia cea mai bun. Filtrul pasiv are rolul de a realiza filtrarea armonicilor principale, n timp ce filtrul activ are rolul de a filtreaza celorlalte armonici [4].Capitolul 3. Analiza armonicilor de curent

n cadrul acestui capitol au fost analizate armonicile de curent produse n cazul a doi consumatori neliniari considerai tipici in sistemele de actionarielectrice utilizand programul PSIM varianta 6.0 [12]. Primul caz studiat este un consumator neliniar modelat prin intermediul unui motor de curent continuu, iar cel de-al doile de un motor BLDC. Acestea sunt alimentatede la o surs de tensiune trifazat simetric prin intermediul unui redresor n punte necomandat.Simularile au fost realizate pentru diferite valori ale cuplului de sarcin, fiind analizate forma de unda a curentului absorbit cat si spectrul armonicilor de curent ale acestuia prin aplicarea Transformatei Fourier.In final am calculat parametrul THD - Distorsiunea ArmonicaTotala, aceasta fiind cea mai raspandita notiune in definirea continutului in armonici a unui semnal de curent alternativ.Pentru armonici de curent ecuatia parametrului THD este:

In figura de mai jos este prezentat schema de montaj aferenta motorului de curent continuu pentru care au fost impuse valori ale cuplului de sarcina cuprins intre 10 si 240 Nm.

Figura 6. MCCalimentat prin intermediul unui redresor n punte trifazat cu diode

In acelasi timp este analizata tensiunea de alimentare si variatia in timp a curentilor absorbiti ilustrate in figurile urmatoare, alaturi de calculul factorului THD pentru fiecare valoare a cuplului .

Figura 7. Sistemul trifazat al tensiunilor de alimentare

Figura 8. Curenii absorbii de consumatorul neliniar

Figura 9. Analiza FFT a curentilor absorbiti de la retea

Se poate observa ca pentru motorul de curent continuu, curentul absorbit nu este unul sinusoidal, ci unul deformat datorita prezentei armonicilor de curent din figura 13.In urma determinarii factorul de distorsiune totala, s-a obtinuto valoarea 30.4% pentru un cuplu de sarcina de 10 Nm.

Figura 10. Motor BLDC controlat pe baza feedbackului de pozitie a rotorului dat de sondele Hall

Figura 11. Curenii absorbii de consumatorul neliniar

Figura 12. Analiza FFT a curentilor absorbiti de la retea Factorul de distorsiune totala pentru cuplul de sarcina impus de 10 Nm s-a obtinut o distorsiune armonica a curentului absorbit de la retea de 29.31%.Capitolul 4. Compensarea armonicilor de curent

Coninutul armonic introdus de consumatori in cazurile analizate in capitolul precedent este compensat cu ajutorul unui filtrului activ paralel. Sistemele de acest tip contin electronica de putere si fiind instalate in paralel cu sarcina neliniara compenseaza curentul armonic absorbit de catre sarcina. Schema de montaj este prezentata in figura urmatoare.

Figura 13. Filtru activ conectat la o sarcin de tipMCC

Figura 14. Sistemul trifazat al curenilor de alimentare

Figura 15. Curenii de faz a consumatorilor neliniari

Figura 16. Analiza FFT (Fast Fourier Transform) a sistemului trifazat de curenti

28.26%

Figrura 17. Comensarea curentului de sarcina de filtrul activ paralel

Pentru cel de-al doilea motor studiat, s-a realizat aceeasi schema de montaj in paralel cu filtrul activ, masurand factorul de distorsiune totala THD pentru un motor de curent continuu fara perii.Secventa de comutatie a modulului de putere ce actualizeaza comanda te tensiune este obtinuta pe baza semnalelor furnizate de cele trei sonde Hall cu privire la pozitia rotorului.

Figura 18. Filtru activ conectat la o sarcin de tip BLDC

Figura 19. Sistemul trifazat al curenilor de alimentare

Figura 20. Analiza FFT a sistemului trifazat de curenti

Figura 21. Curenii de faz a consumatorilor neliniari

15.3%

Figrura 22. Comensarea curentului de sarcina de filtrul activ paralel

VariantaCuplu [Nm]THD [%]THD [%] filtru

11030.428.26

22030.027.87

35029.524.8

410029.121.8

516028.820.42

620028.519.92

724027.918.76

TABEL 1. Valori numerice utilizate in simularea unei sarcini de tip MCC

VariantaCuplu [Nm] THD [%]THD [%] - filtru

10.535.4527.02

21.532.3925.13

32.731.2222.42

43.230.5620.95

54.829.8419.54

6629.7018.27

77.529.6017.03

88.429.5716.28

99.229.4215.86

101029.3115.3

TABEL 2. Valori numerice utilizate in simularea unei sarcini de tip BLDC

In urma simularilor se poate observa ca factorul de distorsiune totala a curentului absorbit este redus considerabil dupa montarea filtrului activ in paralel cu sarcina. De asemenea acesta scade o data cu cresterea cuplului de sarcina a motoruluiPentru o mai buna vizualizare a acestor fenomene, sunt prezentate in tabelul 1 si 2 valorile numerice utilizate cat si dependenta factorului THD de cuplul de sarcina M.

Figura 23. Variatia factorului de distorsiune totala cu valoarea cuplului de sarcina pentru MCC

Figura 24. Variatia factorului de distorsiune totala cu valoarea cuplului de sarcina pentru BLDC

In urma ridicarii curbei de variatie a factorului de distorsiune armonica totala in functie de cuplul de sarcina impus, se poate concluziona faptul ca THD scade o data cu cresterea cuplului in ambele cazuri studiate.De asemenea, valorile THD obtinute in urma filtrarii urmeaza aceeasi tendinta de scadere dar cu valori reduse semnificativ datorita compensarii armonicilor de curent prin intermediul filtrului activ. 5. Observaii i concluziiFiltrarea armonicilor ofer o soluie practic i simpl indiferent de complexitatea problemei. Acestea reprezint o soluie foarte flexibil, care ajut la gsirea celei mai simple rezolvri a problemei.

Filtrele active au urmtoarele avantaje: reduc factorul de distorsiune de curent TDHI n raport de aproximativ 10:1; creterea factorului de putere; nu este afectat de variaia frecvenei; nu apare riscul rezonanelor cu o armonic oarecare; nu poate fi suprancrcat; are flexibilitate; poate fi programat s rspund la o armonic specific (doar dac este cazul).

n urma analizei Fourier se poate observa prezena unor armonici de ordin inferior de pn la 8kHz cu valori mai mici, fundamentala avnd o valoare mic ce crete odat cu cuplul de sarcin al MCC.O alt observaie o putem face n ceea ce privete factorul de distorsiune THD calculat, acesta fiind mai mare cu aproximativ 3%5% n cel de-al doilea caz comparativ cu primul caz. De asemenea, se poate observa din graficele 23 si 24 cum acest THD scade puin cte puin pe msur ce cuplul de sarcin crete.n ceea ce privete forma de unda a curenilor de faz a consumatorilor neliniari in urma filtrarii, acestia au o alur sinusoidal i o amplitudine mai mare odat cu creterea cuplului mainii de curent continuu (MCC).De asemenea, la un cuplu mare dup filtrarea coninutului armonic rezult un numr foarte redus de armonici, fapt pentru care factorul THD devine mult mai mic.Comparativ cu schemele de montaj fara filtrare, am constat o ameliorare a situaiei, datorit introducerii filtrului activ n schem in urma analizei FFT este ilustrata doar fundamentala la 50Hz si un factor THD mult mai mic.Din punct de vedere economic armonicile provoaca pierderi suplimentare de energie (efectul Joule) in conductoare si echipamente. In acelasi timp, prezenta curentilor armonici poate impune cresterea puterii contractate si in consecinta cresterea costurilor.Atunci cand nivelul de distorsiuni al tensiunii de alimentare este in jur de 10%, duratade viata a echipamentelor se reduce semnificativ. Reducerea a fost estimata la: 32,5% pentru motoarele monofazate, 18% pentru motoarele trifazate si 5% pentru transformatoare.In aceste situatii, pentru a mentine durata de viata corespunzatoare sarcinii nominale, echipamentul trebuie supradimensionat.

Utilitatea indicatorului THD, este aceea de a caracterizeaza distorsiunea formei de unda de tensiune (THDu) si curent(THDi).Mai jos sunt prezentate cateva valori ale THDu si fenomenele corespondente din instalatii: sub 5% - situatie normala, nici un risc de functionare defectuoasa; 5% la 8% - poluare armonica semnificativa, functionare defectuoasa posibila; peste 8% - poluare armonica majora, functionare defectuoasa probabila. Este necesara analiza aprofundata si montarea unor instalatii de atenuare.In ceea ce priveste THDi, acesta caracterizeaza distorsiunea formei de unda de curent, aparatul perturbator fiind identificat masurand THDi la intrare si la fiecare iesire a diverselor circuite, urmarind astfel urma armonicilor.Mai jos sunt prezentate cateva valori ale THDi si fenomenele corespondente dininstalatii: sub 10% - situaie normala, nici un risc de funcionare defectuoasa; 10% la 50% - poluare armonica semnificativa, riscuri de supraancalzire sinecesitatea supradimensionarii cablurilor si surselor; peste 50% - poluare armonica majora, functionare defectuoasa probabila. Estenecesara analiza aprofundatasi montarea unor instalatii de atenuare.

Valorile obtinute pentru factorul THDi obtinut in urma simularilor prezentate este intre 10%50% indicand o poluare armonica semnificativa ce poate provoca supraincalizrea echipamentelor si atrage dupa sine necesitatea supradimensionarii cablurilor si surselor.

Bibliografie

[1]Gayadhar Panda, Pravat Kumar Ray, Pratap S. Puhan, Santanu K. Dash, "Novel schemes used for estimation of power system harmonics and their elimination in a three-phase distribution system", [2]http://www.sier.ro/Articolul_3_1.pdf[3]Ana-Maria Dumitrescu,METODE DE REGLARE A CURENTULUIPENTRU FILTRE ACTIVE DE PUTERE DESTINATECIRCUITELOR LA JOAS TENSIUNE,Bucureti, Aprilie 2012[4]http://www.sier.ro/Articolul_3_3_3.pdf[5] SR ISO 8402:1995. Managementul i asigurarea calitii.Vocabular[6] IEEE STD 519-1992 (Rev of 519-1981), IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in Electrical Power Systems, E-ISBN : 0-7381-0915-0[7] IEC 60038, IEC Standard Voltages[8] L. Cristaldi, A. Ferrero, "Harmonic Power Flow Analysis for the Measurement of the Electric Power Quality", IEEE Trans. on Instrumentation and Measurement, vol.44, no.3, pp. 683-685, 1995, ISSN: 0018-9456 [9] European standard EN 50160 Voltage characteristics of electricity supplied by public distribution systems, CENELEC TC, 8X, 2006[10] Entescu, A.M. iEntescu, M.. Calitate.Terminologiecomentat.Ed.Tehnic, Bucureti, 2000, pag. 296, ISBN: 973-31-1514-2[11] http://www.anre.ro/[12] http://powersimtech.com/products/psim/

1

4

3