400,00 300,00 200,00 100,00-100,00-200,00-300,00-400,00

Átírás

1 1 Horváth iklós Dr. Borka József előadó Újabb javaslatok a hálózatszennyezh zatszennyező fogyasztók hálózati visszahatásának racionális csökkent kkentésére, egyenáram ramú energiaelosztással ssal EE 55. Vándorgyűlés Eger,

2 2 A tárgyalt témakörök 1. A hálózatszennyezés elsődleges forrásai, következményei 1. és 2. generációs elektronikus készülékek, Torz árammal terhelő elektronikus fogyasztók reprezentatív példái, Az egyenirányító terhelés sajátosságai, A hullámalak torzítást kifejező mennyiségek (THD, µ, I eff /I sin ) egyenirányítóknál. 2. A hálózatbarát tulajdonság kialakítása A hálózat ohmos terhelésének feltételei, A hálózatbarát egyenirányító és üzemmódjai, A hálózati visszahatás csökkentése egyedi eszközökkel, A. generációs elektronikus berendezések és tulajdonságaik.. Az egyenfeszültségű energiaelosztás megvalósítása A csoportos egyenfeszültségű energiaelosztás (DC-EDS) lényege, Rendelkezésre álló teljesítményelektronikai eszközkészlet, egoldandó feladatok és leküzdendő nehézségek, DC-EDS-hez hasonló megoldások külföldön.

3 Közbenső egyenfeszültséggel üzemelő elektronikus berendezések generációi Illesztés - egyenirányítás - pufferelés ögöttes energiaátalakító Hálózat 20 V 50 Hz 50 Hz DC/DC =/= vagy DC/AC =/~ Terhelés Közbülső egyenfeszültség 1. generációs, 50 Hz-es energiaátvitelű elektronikus készülékek Egyenirányítás - pufferelés ögöttes energiaátalakító Hálózat 20 V 50 Hz DC/AC =/~ 25 khz AC/DC ~/= vagy AC/AC ~/~ Terhelés Közbülső egyenfeszültség 2. generációs, nagyfrekvenciás energiaátvitelű elektronikus készülékek

4 Példák az 1. és 2. generációs készülékek hálózatszennyezésére 4 1/µ = 1,5 1/µ = 1,25 Asztali számítógép CH1: i (10mV -:- 1 A) CH2: u (1 V -:- 100 V) COP_1G-H Asztali számítógép (1997) CH1: i (10mV -:- 20 A) CH2: u (1 V -:- 100 V) IG_ 2_J-K Elektronikus hegesztő (1990) Elektronikus hegesztő 1/µ = 1,41 CH 1: i (10mV -:- 2 A) CH 2: u (1 V -:- 100 V) COP_1 K-L CH1: i (10mV -:- 1 A) CH2: u (1 V -:- 100 V) CO P_1I-J Lézer nyomtató (2001) Nagytorony számítógép (2000) Lézer nyomtató és számítógép

5 Egy számítógépterem hálózatterhelése 5 R fázis S fázis 400 : 400V, 400 : 20A 400,00 00,00 200,00 100,00-100,00 Az R fázis feszültsége és az R fázis-vezető árama egy számítógéplabor x400/20 V-os, 50 Hz-es energiaelosztó rendszerénél P átl = 570 W I eff = 2,94 A I eff /I sin =1,199 0, R vonali áram R fá zisfesz. 400 : 400V, 400 : 20A 400,00 00,00 200,00 100,00-100,00 Az S fázis feszültsége és az S fázis-vezető árama egy számítógéplabor x400/20 V-os, 50 Hz-es energiaelosztó rendszerénél P átl = 1120 W I eff = 5,9 A I eff /I sin =1,225 0, S vonali áram S fázisfesz. -200,00-200,00-00,00-00,00-400,00-400,00 T fázis ΣP = 200 W N vezető 400 : 400V, 400 : 20A 400,00 00,00 200,00 100,00-100,00 A T fázis feszültsége és az T fázis-vezető árama egy számítógéplabor x400/20 V-os, 50 Hz-es energiaelosztó rendszerénél P átl = 1510 W I eff = 7,85 A I eff /I sin =1,20 0, T vona li ára m T fázisfesz. 400 : 400V, 400 : 20A 400,00 00,00 200,00 100,00-100,00 Az R fázis feszültsége és a nulla-vezető árama egy számítógéplabor x400/20 V-os, 50 Hz-es energiaelosztó rendszerénél I eff = 7,5 A 0, N nulla vezető árama R fá zisfesz. Áram trendvonala -200,00-200,00-00,00-00,00-400,00-400,00

6 1. és 2. generációs készülékek hátrányai feszültségillesztéshez szükséges energiaátvivő transzformátorok külmérete és súlya hálózati frekvencián rendkívül nagy (1. generáció); a hagyományos eszközökkel történő egyenirányítás során keletkezik a legnagyobb hálózatszennyezés (1. és 2. generáció): egynél kisebb fázis- és teljesítménytényező, felharmonikustartalom-növekedés és feszültségtorzítás; az egyenirányítás alkalmával jelentős mennyiségű energia elvész (1. és 2. generáció): közvetlenül, vagy az előírt fáziskompenzálást végző berendezések üzemeltetése, ill. előállítása közben; az eleve felharmonikus-dús hálózati feszültség miatt a fáziskompe nzáló berendezések elektromágneses zajt keltő áram felharmonikusokat gerjesztenek; a nulla-vezetőben nagy felharmonikus áramok folynak. 6

7 Ideális modell: u = *sin(ωt) Az egyfázisú egyenirányító terhelés sajátságai Terhelés R I E i = i(ωt) R = f (P E = const.), E 2π I eff = P E = E *I E 1 2π u*i dωt, 0 1 2π 1/2 2π i 2 dωt i sin = /2 P E sinωt 5 4 u / i sin / I sin i / 2 1/2 I eff Ieff / Isin [%] Vezetési sz ög [fok] a relatív egyenfeszültség függvényében I*Pnom/Patlag *ωt / 2π V ez. szög [fok] 250 Ieff/Iszi nusz% % fok ,0 0 0,10 0,20 0, 0 0,40 0,50 0,6 0 0,70 0,80 0,90 1,0 0 E /

8 Ideális modell teleppel: i u = *sin (ωt) u = *sin (ωt+2π/) u = *sin (ωt+4π/) fázisú hatütemű egyenirányító terhelés sajátságai Szaggatott vezetés: E > sin (2π/6) = 0,867 Terhelés Z I E E nominált értékek 1,100 0,900 0,700 0,500 0,00 0,100-0,100-0,00-0,500-0,700-0,900-1, I eff / I sin = 1,52 Vezetési szög: 68 fok (½ periódus) 90 I f ázisáram fázisfeszültség I* teljesítmény I1 fázisáram Nominált áram, feszültség és teljesítmény i fok i sin I eff / I sin = 1,0487 Vezetési szög: 120 fok Nominált áram, feszültség és teljesítmény Folytonos vezetés: E < sin (2π/6) = 0,867 I eff / I sin = 1,0722 Vezetési szög: 120 fok Nominált áram, feszültség és teljesítmény 1,100 0,900 i sin 1,100 0,900 i sin nominált értékek 0,700 0,500 0,00 0,100-0,100-0, Z = R E nominált ér tékek 0,700 0,500 0,00 0,100-0,100-0, Z = R E + jωl L/ R E >> 1/ω ,500-0,700-0,900-1,100 I fázisáram fázisfeszültség I * teljesítmény I 1 f ázisáram i fok -0,500-0,700-0,900-1,100 I fázisáram f ázisf eszültség I* t eljesít mény I1 fázisáram i fok

9 Az 1 és fázisú egyenirányító terhelés hullámalak torzítást kifejező mennyiségei 9 Harmonikus-paraméterek és a vezetési szög (ei. terhelés) y = THD, Iteff/I1eff, µ 1f 2ü f 6ü Alapharmonikus effektív értéke: I1 (eff) A harmonikus összetevők effektív értéke: It (eff) = [ n=1 Σ n= I n 2 ] 1/2 THD µ It (eff)/i1 (eff) f 6ü f 6ü 1f 2ü egyenirányító Iteff/I1eff 1f 2ü egyenirányító THD 1f 2ü egyenirányító torzítási tényezõ f 6ü egyenirányító Iteff/I1eff f 6ü egyenirányító THD f 6ü egyemirányító torzítási tényezõ 1f 2ü 1f 2ü szokásos 1f tartomány 1/µ Teljes harmonikus torzítás: THD = [ n=2 Σ n= In (eff) 2 ] 1/2 / I1 (eff) szokásos f tartomány Torzítási tényező: µ = I1 (eff) / It (eff) x Vezetési szög

10 A tisztán ohmos terhelés 10 Az i(t) I = R Ohm törvény minden időpillanatra érvényes! i(t) i(t) HG R HG R HG R R = 100 Ω HG: Szinusz hullámforma generátor R = 100 Ω HG: Háromszög hullámforma generátor R = 100 Ω HG: Négyszög hullámforma generátor CH1: i (10mV -:- 20 ma) CH2: u (1 V -:- 1 V) INTA_1 I-J CH1: i (10mV -:- 20 ma) CH2: u (1 V -:- 1 V) INTA_1K -L CH1: i (10mV -:- 20 ma) CH2: u (1 V -:- 1 V) INTA_1-N Ohmos terhelés: i(t) = R = const. egyenes!

11 i(t) Vegyes terhelés i(t) i(t) 11 Nonlineáris Lineáris elemekkel elemekkel HG CH1: i (10mV -:- 20 ma) CH2: u (1 V -:- 1 V) R C R = 100 Ω C = 25 µf HG: Szinusz hullámforma generátor HG i(t) ± 2,7 V R R = 100 Ω HG: Szinusz hullámforma generátor INTA_2Q- R HG CH1: i (10mV -:- 20 ma) CH2: u (1 V -:- 1 V) CH1: i (10mV -:- 2 ma) CH2: u (2 V -:- 2 V) R L R = 100 Ω L = 7 mh HG: Szinusz hullámforma generátor INTA_2 O-P INTA_1 O-P HG CH1: i (10mV -:- 20 ma) CH2: u (1 V -:- 1 V) i(t) C R = 100 Ω C = 50 µf HG: Szinusz hullámforma generátor const. nem egyenes! INTA_2S- T

12 A szennyezett hálózat 12 i(t) i(t) i(t) 20 V H R 20 V H R 20 V H C 50 Hz 50 Hz 50 Hz R = H: Kommunális hálózat a SZTAKI-ban R = 5,1 k Ω H: Kommunális hálózat a SZTAKI-ban C: 4,7 µf H: Kommunális hálózat a SZTAKI-ban CH1: i (10mV -:- 50 ma) CH2: u (1 V -:- 100 V) INTA_2A,C CH1: i (10mV -:- 50 ma) CH2: u (1 V -:- 100 V) IN TA_ 2B,D CH1: i (10mV -:- 0,2 A) CH2: u (1 V -:- 100 V) INTA_1Q-R Belapult csúcsok Nagy felharmonikus tartalom Az ohmos terhelés nem okoz további jelalak torzulást! (Áram a fesz.hez hasonló) A kapacitív terhelés kiemeli az áramfelharmonikusokat!

13 i(t) ~ + - ~ BCK-konverter C F Q D Vezérlés i D (t) L i L (t) A hálózatbarát egyenirányító működési elve C + E i = L di L (t) = L dt δt Ha a terhelés állandó: δt = costans = L i δt = costans i i(t) = δt / 2 2T = δ i 2L i(t) = δ 2 = costans T Ohmos terhelés! R t I E i T = const. i L (t) δt i D (t) (1 δ)t i D = i L csúcsáram 1 átlagáram i(t) T P /T > 500 T P /2 i L (t) E I E i L i C E I E E I E δt ideig vezet (1-δT) ideig nem vezet a Q OSFET, a Q OSFET, D nem vezet. D vezet, majd lezár.

14 Pre-konverter L D1 A hálózatbarát egyenirányító üzemmódjai + Folyamatos energiafelvétel a hálózatból!!! csúcsáram átlagáram 14 Hálózat 20V AC/DC 0-60Hz C F Q1 C DC Kimenet 400V DC A PFC CONTROLLER BOOST pre-konverter 1. L-ben szaggatott vagy csaknem folytonos a vezetés csúcsáram átlagáram 2. L-ben folytonos a vezetés 1/µ = 1,01 CH1: i (10mV -:- 20 A ) C H2: u (1 V -:- 100 V) Szaggatott üzemmódú IG_2 _C-E-F "Hálózatbarát" egyenirányítók (SZTAKI, ) CH1: i (10mV -:- 0,5 A) CH2: u (1 V -:- 100 V) Folytonos üzemmódú 854_E-F

15 15 Fogyasztók hálózatszennyező és hálózatbarát változatai 1/µ µ = 1,75 CH1: i CH2: u (10m V- :- 0,5 A) (1 V -: V) CH1: i CH2: u FCSOK _ 1R Kompakt fénycső (Kína 1) (10m V- :- 0,2 A) (1 V -: V) FC SO _1 C "Hálózatbarát" fénycső előtét 1/µ µ = 1,85 CH1: i CH2: u (10m V -: - 1 A) (1 V - :- 100 V) CH1: i CH2: u FC SOK _1 (10m V- :- 0,1 A) (1 V -: V) SIEE NS1 "Hálózatbarát" fénycső előtét Kompakt fénycső (Kína 2) HTR 180DT (SZTAKI, 1998.) 1/µ µ = 1,25 CH1: i ( 10mV - :- 2 0 A) CH2: u (1 V -: V) 1/µ µ = 1,01 CH1: i ( 10m V -:- 10 A) CH2: u ( 1 V - :- 100 V) AKK -1 C Elektronikus hegesztőgép HTR 180H (SZTAKI, 1997.) AKK 1 -B "Hálózatbarát" hegesztőgép

16 Gondok a. generációval 16 Jelentős árnövekedés a hálózatbarát egyenirányító miatt. Nő a berendezés súlya és külmérete. Esetenként a hálózatbarát egyenirányító be sem építhető az adott berendezésbe. A piaci kereslet kicsi: csak adminisztratív kényszer (szigorodó szabványok) hatására vagy tömegtermékekben terjed. Pazarlás minden egyes készülékbe egyedi hálózatbarát egyenirányítót beépíteni. árpedig a hálózati visszahatás mérséklése érdekében elengedhetetlen a hálózatbarát egyenirányító alkalmazása!!! Javasolt megoldás: Célszerűen en összevonhat sszevonható lokális lis elektronikus fogyasztócsoportok számára legyen közös a hálózatbarát egyenirány nyító! A javaslat lényege: l s!!! egyenfeszülts ltségű energiaelosztás!!!

17 Egyenfeszültségű energiaelosztás Lokális fogyasztócsoportok közös központi hálózatbarát áramirányítóval 17 Alternatív villamos energiaforrás "ZAJVÉDELI TŰZFAL" AC/DC Konverter Kommunális hálózat x400v/20v 50/60Hz Ohmos terhelés! "Hálózatbarát" áramirányító (bi-direkcionális opció) Napelem DC/DC Konverter 48-5V DC DC ELOSZTÓ HÁLÓZAT pl. 400V/600V DC DC/DC Konverter DC/±DC DC/DC DC/DC DC/AC Konverter Konverter Konverter Inverter f DC/AC Inverter 1f DC/AC Inverter x400v 50/60Hz 20V 50/60Hz DC energia tároló berendezés Fénycsővilágítás PC-k, szórakoztató és konzum elektronika DC hajtások AC hajtások Tradicionális f fogyasztók Tradicionális 1f fogyasztók Opció - csak szükség esetén

18 A csoportos megoldás áramkörkészlete BOOST, FLYBACK, BCK-BOOST konverterek (ld. korábban) 2. Egy- és háromfázisú, híd-kapcsolású, többfunkciós energiaátalakítók: E P v1 v2 GD GD Q1 Q2 v v4 GD GD Q AC1 AC2 Q4 u P L1 + L2 = L L1 C L2 LC SZŰRŐ AC11 u C AC12 E P v1 v2 GD GD Q1 v Q2 v4 GD GD Q v5 Q4 v6 GD GD Q5 AC1 AC2 AC Q6 L1 L2 L LC SZŰRŐ AC11 C1 u C 12 AC12 C2 u 2 AC1 u 1 N N V1, V2 V, V4 E δt T/2 EGYFÁZISÚ HÍD-KAPCSOLÁS T egyfázisú u P δ < 0,5 u C < 0 4/4-es üzem t t t u C (1 δ) T V1, V2 V, V4 T/2 T/2 u P δt T u C δ = 0,5 u C = 0 t t t (1 δ) T V1, V2 V, V4 E u P δt T (1 δ)t δ > 0,5 u C > 0 Hullámformák alternatív vezérlés esetében HÁROFÁZISÚ HÍD-KAPCSOLÁS t t u C t háromfázisú DC/DC, DC/AC és AC/DC átalakító E E δt T Hálózathoz is szinkronizálható, PW vezérlésű szinuszos hullámalak u P u C t

19 A DC-EDS egyenfeszültségű energiaelosztás előnyei 19 egyedi pre-konverterek, fázisjavítók stb. elhagyhatók; 0-5%-kal nőhet a meglévő hálózat energiaszállító képessége; esetenként jelentős lehet az energiamegtakarítás (kb. 25-0%); mérséklődnek a méréstechnikai nehézségek; a rövididejű hálózat-kimaradás áthidalható (vészvilágítás, számítógép táplálás stb.); helyi energiatermelők egyszerűbb bekapcsolása az energiaszolgáltatásba; visszatáplálás a váltakozó áramú hálózatba; villamos hajtások fékezéskor elvesző energiája hasznosítható; tűzfalon belül feleslegessé válhatnak a robosztus hálózati frekvenciás transzformátorok.

20 Várható problémák és kezelésük Praktikusan V-os egyenfeszültségre célszerű csatlakozni: a mai mechanikus kapcsolók alkalmatlanok (50 V felett ívhúzás!), félvezetős kapcsolóeszközöket kell kidolgozni, az elektronikus fogyasztók vezérlésük által is ki-, be kapcsolhatók (ld. Stand-By üzem). Új védelmi, biztonságtechnikai, tűz-, érintésvédelmi megoldások, szabványok szükségesek. egfelelő biztosítók, szakaszolók és egyéb készülékek szükségesek. Példamutató megoldásokkal szolgál a városi villamos közlekedés hálózatkezelése. Szaporodnak a hasonló külföldi módszerek. Hosszú távú,, elképzel pzelésről l van szó: Egy célszerc lszerűen en felépített referenciaállom llomás s kifejlesztése se hozzájárulna a kommunális energia egyenfeszülts ltségű elosztásával járój problémák k feltárásához, megoldásához és s a rendszer előnyeinek bizonyításához! 20

21 Közbülső egyenáramú energiaelosztó rendszer váltakozó áramú fogyasztók részére ( 200-ban DE A1 szerint) A rendszerből elhagyható 21 DE ban Fogyasztókban

22 22 DC power distribution for server farms E.C.W. de Jong & P.T.. Vaessen, KEA Consulting, September DC elosztásnál felesleges AC elosztórendszer járulékos DC és AC energiaforrásokkal DC elosztáshoz még szükséges DC elosztórendszer járulékos DC és AC energiaforrásokkal

23 2 Az AC és DC energiaelosztás összehasonlítása Előnyös Hátrányos Szempont AC energiaelosztás DC energiaelosztás Kihatás a meg bízhetóságra Kihatás a hatásfokra A szükséges energiaátalakítások minimális száma Négy Kettő Az energiaátalakítások csökkenése miatt nő a megbízhatóság Az energiaátalakítások csökkenése miatt nő a hatásfok Az PS működéséhez szükséges energiaátalakítások száma Kettő Egy Az energia átalakítások csökkenése miatt nő a megbízhatóság Az energiaátalakítások csökkenése miatt nő a hatásfok Az energiaátalakításhoz szükséges eszközök AC transzformátor és teljesítményelektronika Teljesítményelektronika AC transzformátor megbízhatóbb mint a teljesítményelektronika Az AC transzformátor és a teljesítményelektronika hatásfoka hasonló Az energiaátalakítás frekvenciája Hálózati frekvencia (50 / 60 Hz) Nagy kapcsolási frekvencia (> 100 khz) A nagyfrekvenciás energiaátalakítók nagyobb meghibáshajlama csökkenti a megbízhatóságot A nagyfrekvenciás energiaátalakítás hatásfoka (és teljesítménysűrűsége) kisebb Helyi energiaforrások és energiatárolók csatlakoztatásához a szinkronizálás inden esetben szükséges Nem szükséges, valamennyi terhelés a DC sínre csatlakozik A szinkronizálás elmaradása miatt nő a megbízhatóság (a visszafordíthatatlan hibák kockázata kisebb) A szinkronizálás nem befolyásolja a hatásfokot Helyi energiaforrások és energiatárolók csatlakoztatásához az energiaátalakítás inden esetben szükséges Csak a nagyfrekvenciás AC berendezéseknél szükséges Az energiaátalakítások csökkenése miatt nő a megbízhatóság Az energiaátalakítások csökkenése miatt nő a hatásfok Redundancia Szükséges Szükséges Redundancia jelentősen növeli a megbízhatóságot Redundancia nem befolyásolja a hatásfokot

24 Daru erősáram ramú hajtásrendszere 24 Közös DC elosztó sínről táplált hajtások f hálózat nidrive DC elosztó sín V W NI R1 + - V W NI + R NI NI NI + - NI NI NI NI NI NI 9 V W V W V W V W V W V W V W V W V W Emelés Daruhíd haladás acska haladás Forgatás

25 Direct-Current Voltage (DC) in Households by Peter Vaessen, KEA Consulting, September Tipikus huzal és adapter terror Racionális energiaelosztás víziója egy családi házban

26 26 Köszönjük megtisztelő figyelmüket Horváth iklós Dr. Borka József Készséggel válaszolunk kérdéseikre. Kapcsolódó irodalom: [1] Stefan Faßbinder: Netzstörungen durch passive und aktive Bauelemente. VDE Verlag GmbH, Berlin [2] Jessler & Gsell GmbH Leistungselektronik Energiemanagement: Harmonics Theory. [] Horváth. Dr. Borka J.: Energiamegtakarítást és hálózatszennyezés-csökkentést eredményező villamosenergia-elosztás a kommunális fogyasztók körében. Elektrotechnika, 200. október, 96. évf. 10. sz old (1. rész), 11. sz old. (2. rész). [4] K. Heumann: A teljesítményelektronika alapjai. űszaki könyvkiadó, Budapest, 1979.