Harmonikusok Aktív harmonikus szûrôk

Átírás

1 Villamosenergia-minôség Alkalmazási segédlet Harmonikusok Harmonikusok

2 Harmonikusok Shri Karve MGE UPS Systems Ltd március Magyar Rézpiaci Központ Hungarian Copper Promotion Centre (HCPC) A Magyar Rézpiaci Központ a réztermelôk és feldolgozók által támogatott non-profit szervezet, amelynek célja a réz és a rézötvözetek használatának, valamint helyes és hatékony alkalmazásának elôsegítése. A szolgáltatások, beleértve a mûszaki tanácsadást és információs adatközlést, mindazok rendelkezésére állnak, akik bármilyen vonatkozásban érdekeltek a réz felhasználásában. Az egyesülés összeköttetést teremt a kutatás és a felhasználó ipar között, és szoros kapcsolatot tart fenn a világ többi a rézpiac fejlesztésén tevékenykedô szervezetével. Európai Réz Intézet European Copper Institute (ECI) Az Európai Réz Intézet az ICA (International Copper Association) és az IWCC (International Wrought Copper Council) támogató tagjai által létrehozott szervezet. Tagjain keresztül az ECI a világ legnagyobb réztermelôi és Európa vezetô réztermék gyártói nevében dolgozik a réztermékek európai piacfejlesztésén. Az 1996 januárjában megalakult ECI-t tíz Rézpiac Fejlesztési Egyesület (CDA-k) hálózata támogatja a Benelux államokban, Franciaországban, Németországban, Görögországban, Magyarországon, Olaszországban, Lengyelországban, Skandináviában, Spanyolországban és az Egyesült Királyságban. Ezen tevékenység folytatása azon erôfeszítéseknek, amelyeket az 1959-ben alakult Copper Products Development Association (CPDA) és az 1961-ben alakult International Copper Research Association (INCRA) kezdeményezett. Figyelmeztetés A Magyar Rézpiaci Központ és az Európai Réz Intézet elhárítja a felelôsséget bármilyen közvetlen, közvetett, okozati, vagy véletlenszerû meghibásodásért, amely az ebben a kiadványban közölt információk felhasználásából, vagy az információk illetve a közölt adatok fel nem használhatóságából eredhetnek. Szerzôi jog : Copper Development Association (CDA) Magyar fordítás: Magyar Rézpiaci Központ A kiadvány anyagának másolása, terjesztése engedélyezett, feltéve, hogy az teljes terjedelemben, a forrás megjelölésével történik. Magyar Rézpiaci Központ H-1053 Budapest Képíró u. 9. Magyarország Tel: (+36 1) Fax: (+36 1) info@hcpcinfo.org Web: European Copper Institute 168 Avenue de Tervueren B-1150 Brussels Belgium Tel: Fax: eci@eurocopper.org Website:

3 Harmonikusok Kicsit több, mint tíz éve, hogy a villamosenergia-minôséggel kapcsolatos kérdések túlnôttek a szûk szakmai érdeklôdési körön, és a villamosenergia-szolgáltatás elôterébe kerültek. A villamosenergia-minôségre érzékeny kritikus terhelések ellátása külön üzleti ággá vált, ugyanakkor az IT berendezések növekvô részaránya miatt folyamatosan nô az elosztó hálózat harmonikus torzítása. A villamosenergia-minôséget javító berendezések egyre fontosabbak lesznek a szolgáltatók és a fogyasztók számára egyaránt. Bevezetés Az útmutatóban tárgyaltuk azokat a problémákat, amelyeket a harmonikus áramok a berendezésekben és a hálózaton okoznak. Az ipari, kereskedelmi és háztartási terhelések nagy része nemlineáris ennek következtében a kisfeszültségû elosztóhálózatok torzítási szintje jelentôs mértékû és helyenként komoly problémákat okoz. Az, hogy a harmonikus feszültség a hálózaton problémákat okozhat, már régen ismert, a torzítás korlátozására megoldásokat és szabványokat dolgoztak ki. A szabványok alkalmazása segített megoldani azokat a problémákat, amelyeket a fogyasztók a saját hálózatukon tapasztaltak és csak ritkán származtak a fölérendelt hálózatból. A szabványok alkalmazása azt jelenti többek között, hogy a fogyasztók által termelt harmonikus áramokat korlátozni kell. Ebbôl következik, hogy ott, ahol ez szükséges, a fogyasztóknak gondoskodni kell harmonikus szûrésrôl. Általában a következô három szûrési megoldást alkalmazzák, mindegyiknek megvan az elônye és hátránya: Passzív k Transzformátor kapcsolások leválasztás, zegzug, kapcsolási csoport megválasztás k Ez a fejezet az aktív harmonikus ket tárgyalja, amelyeket teljeskörû aktív kompenzátornak (active power conditioner) is neveznek, amennyiben nem csak a szûrést, hanem alapharmonikus kompenzációt is ellát a berendezés. Harmonikus problémákat csökkentô berendezéseket vagy azért telepítenek, hogy a csatlakozási feltételeknek (szabványelôírásoknak) megfeleljenek, vagy azért, hogy a helyi harmonikus áramok által okozott problémákat kezeljék. A berendezések elhelyezése és kiválasztása az egyedi körülményektôl függ és általában részletes harmonikus vizsgálatokat kíván. Ahol IT berendezéseket használnak, minden páratlan harmonikus jelen van, ami a nullavezetô túlterheléséhez vezet. A túlterhelést a harmadik harmonikus páratlan többszörösei okozzák. Ilyen bajok könnyen kezelhetôk megfelelô tervezési gyakorlattal harmonikus szûrés, létesítéskor a helyes keresztmetszetû kábel kiválasztása, de gyakran, ha az épület rendeltetése megváltozik, ezek a problémák jóval az épület átadását követôen is jelentkezhetnek. A problémát még súlyosbítja az a tény, hogy az irodahelyiségeket gyakran átrendezik és ezért a relatív tiszta áramkörök erôsen torzítottá válnak. Más szavakkal, az épületek harmonikus viszonyai változnak ahogy új berendezések kerülnek üzembe és meglévô berendezések lesznek áthelyezve. Ezeket a változtatásokat általában anélkül hajtják végre, hogy az épület meglévô villamos hálózatát figyelembe vennék. Egy mûködô épület újrakábelezése nagyon költséges, és ezért általában szóba sem jöhet, így más megoldások szükségesek. Passzív k alkalmazhatók, de igen bonyolult egy kellôen hatékony harmadik harmonikus passzív t tervezni. A passzív k csak azt a frekvenciát szûrik, amelyre tervezve vannak, ezért minden problémát okozó frekvenciára külön kell. Ennek következtében,ha a harmonikus összetétel változik, szükség lehet a passzív k cseréjére vagy kiegészítésére. A zegzug transzformátorok és a delta tekercselésû leválasztó transzformátorok hatékonyak a hárommal osztható harmonikusokra, de hatástalanok a többi harmonikusra. Ilyen esetekben az aktív harmonikus jó megoldás lehet. felépítése Az aktív harmonikus szûrés gondolata viszonylag régi, de a versenyképes árhoz szükséges technológia hiánya évekig meggátolta elterjedését. Napjainkban az IGBT (insulated gate bipolar transistor) és a DSP (digitális jelfeldolgozó digital signal processor) széleskörû elterjedése az aktív harmonikus szûrést piacképessé tette. 1

4 Harmonikus áram Hálózati áram I H ÁV Fogyasztói áram I F Táphálózati impedancia h U~ Áram generátor DSP Lineáris fogyasztó I 3 I 5 I 7 Táphálózat Létesítmény 1. ábra Párhuzamos aktív harmonikus szôrô Az aktív harmonikus elve rendkívül egyszerû; teljesítmény elektronikai eszközök segítségével olyan irányú és nagyságú harmonikus áramokat állítunk elô, amelyek eredményeképpen a létesítmény a hálózatból csak alapharmonikus áramot vesz fel. Az 1. ábra a párhuzamos aktív elhelyezését mutatja. A terhelô áramot áramváltó méri, amelynek a szekunderére csatlakozó DSP elemzi az áram harmonikus tartalmát. Ennek a harmonikus tartalomnak az ellentettjét injektálja a hálózatba az áram generátor a következô periódusban, aminek eredményeképpen az IH áram csak alapharmonikust tartalmaz. A gyakorlatban a harmonikus tartalom csökkentés mértéke kb. 90%-os. Mivel az aktív szûrés árammérésen alapul, gyorsan alkalmazkodik a terhelés harmonikus tartalmának változásához. A harmonikus analízis és elôállítás folyamatát szoftver irányítja, ezért egyszerû a berendezés átprogramozása, hogy csak bizonyos harmonikusokat szûrjön, amivel a berendezés névleges teljesítményét lehet csökkenteni. Számtalan különbözô megoldás ismeretes, melyek közül néhányat bemutatunk. Valamennyi megoldásnál a fô szempont az alkatrészek optimalizálása és a minél teljesebb körû szûrés egyidejû megvalósítása. Az aktív k új generációja a terhelés alapharmonikus meddôteljesítmény kompenzációját is megvalósítja. Ezeket a berendezéseket teljeskörû aktív kompenzátornak (active power conditioner) nevezzük. Soros aktív k Ez a fajta szûrés, amely a fogyasztó és a táphálózat között sorosan helyezkedik el, nemcsak a létesítmény által keltett harmonikus áramokat kompenzálja, hanem a hálózat már meglévô harmonikus tartalmának következtében folyó harmonikus áramokat is. Ez a megoldás hasonló a soros kompenzátorhoz és a teljes terhelô áramra kell méretezni. Táphálózat Nemlineáris terhelés 2. ábra Soros aktív szôrô 2

5 Párhuzamos aktív k Táphálózat Nemlineáris terhelés A párhuzamos, vagy sönt aktív k a fogyasztóval párhuzamosan kapcsolódnak a váltakozóáramú hálózatra és ezért csak a nemlineáris fogyasztó által felvett harmonikus teljesítményre (harmonikus áramra) kell méretezni. Táphálózat 3. ábra Párhuzamos aktív szôrô Nemlineáris terhelés Hibrid kapcsolások Ez a megoldás az aktív és a passzív kombinációja, amely akár soros, akár párhuzamos típusú is lehet. Adott esetben ez a változat a leggazdaságosabb. A passzív adja az alap szûrést (például az 5. harmonikusra), a dinamikus, pontosabb aktív a többi harmonikus rendszámot szûri. 4. ábra Hibrid szôrôkapcsolás A párhuzamos aktív mûködési elve Az aktív párhuzamosan kapcsolódik a hálózatra és folyamatosan injektálja a hálózatba a terhelés által felvett harmonikusoknak megfelelô összetevôket. Az eredmény az lesz, hogy a terhelés eredô hálózati árama közel szinuszos marad. Az aktív szûrés a teljes kisfrekvenciás harmonikus spektrumra (a másodiktól a 25. harmonikusig) terjedhet ki. Ha a terhelés harmonikus árama nagyobb, mint az aktív harmonikus névleges árama, akkor, mivel a automatikusan korlátozza kimenô áramát, nem terhelhetô túl és maximális áramáig képes a szûrést biztosítani. Bármilyen mértékû harmonikus áram növekedés lehetséges; az aktív ebben az állapotban is folyamatosan üzemel anélkül, hogy károsodna. Csatlakozási pont és struktúra Az aktív az elosztó rendszer különbözô pontjaira csatlakozhat: Központilag, a kommunális csatlakozási pontra (PCC), a harmonikus áramok együttes szûrésére (5. ábra, A csatlakozás) Csoportosan (5. ábra, B csatlakozás) Egyedileg, közvetlenül a nemlineáris terhelés kapcsaira (5. ábra, C csatlakozás) Figyelembe kell venni, hogy a csak a fogyasztó felé áramló harmonikusokat szûri; például a B csatlakozású csak az S3 gyûjtôsínre csatlakozó fogyasztók harmonikus áramait fogja szûrni és nem veszi figyelembe a többi gyûjtôsínre csatlakozó fogyasztót. Ez a lehetôség tervezéskor nagy rugalmasságot biztosít. Mint minden harmonikus nél, a terhelés oldal közvetlenül harmonikus árammal torzított marad; csak a hálózati oldal lesz megszûrve. Ennek következtében a terhelés oldali kábeleket továbbra is a harmonikus áramok és szkinhatásuk figyelembevételével kell méretezni. 3

6 Az lenne az ideális, ha a harmonikus szûrés a harmonikusok keletkezési helyén történne. Az optimális harmonikus szûrés elérése érdekében több különbözô elrendezésben alkalmazható. Ezek az elrendezések az elosztóhálózat tetszôleges pontjára csatlakoztathatók, ami egy rugalmas és áttekinthetô szûrési stratégiát eredményez. A leggyakoribb elrendezéseket a következô két szakaszban ismertetjük. KÖF KIF Kisfeszültségû fôelosztó MLVS Fôáramkör MS1 Fôáramkör MS2 Fôáramkör MSn A Fôelosztó B Fôáramkör S1 Fôáramkör S2 Fôáramkör S3 Végponti elosztó M M M C Terhelések 5. ábra Háromszintô sugaras elosztóhálózat az aktív szôrô lehetséges csatlakozási pontjainak szemléltetésére 4

7 6. ábra Párhuzamos elrendezés Párhuzamos elrendezés A 6. ábrán látható párhuzamos elrendezés két különbözô követelménynek tesz eleget: A váltakozóáramú rendszer adott pontján akár négy azonos teljesítményû aktív csatlakoztatásával nagyobb szûrési képességet biztosít A terhelés jövôbeli növekedése esetére nagyobb szûrési teljesítmény nyújt Az azonos teljesítményû aktív k alkalmazásával nagyobb megbízhatóság érhetô el, ha a k egymás tartalékaként szerepelnek. Kaszkád elrendezés 7. ábra Kaszkád elrendezés A 7. ábra szerinti elrendezésnek a következô elônyei vannak: A teljes szûrendô teljesítmény növekedése követhetô azonos vagy eltérô teljesítményû aktív k alkalmazásával Valamely terhelés vagy harmonikus egyedi szûrése mellett a nemlineáris fogyasztók csoportjának általános szûrése is megoldható. 5

8 Alkalmazások eredményei Ebben a fejezetben az aktív k alkalmazásával elérhetô hatást ismertetjük. Az ábrák a tipikus ipari és kereskedelmi alkalmazásoknál elérhetô szûrési hatékonyságot mutatják. Információ technológia (IT) jellegû terhelések Az IT jellegû terhelések áramát az jellemzi, hogy nagy amplitúdójú kis rendszámú páratlan harmonikusokat tartalmaz (3, 5, 7, 9). A 8. ábrán egy tipikus vonalas spektrumot ismertetünk % Amplitúdó Harmonikus rendszám 8. ábra Szűretlen IT típusú terhelés áramspektruma Ez a típusú terhelés nagyon sok problémát okoz, például nullavezetô túlterhelését, transzformátorok túlmelegedését. Az aktív harmonikus szûrés alkalmazása az ilyen terhelések áramának harmonikus spektrumát jelentôsen megváltoztatja, amint ezt a 9. ábra mutatja. A javulás szembetûnô a THDI (teljes harmonikus áramtorzulás) 92.6%-ról 2.9%-ra csökken (32-ed részére) és az áram effektív értéke 21%- kal csökken. A 9. ábrán láthatónál nagyobb mértékû javításhoz az aktív teljesítményét jelentôsen növelni kell. A körülményektôl függôen általában nem szükséges a teljes harmonikus áramtartalom megszüntetése. Lehet, hogy a problémát például csak a 3. harmonikus okozza, ilyenkor elegendô csak ezt a harmonikust kellô mértékben csökkenteni. A 10. ábra egy ilyen módon programozott aktív hatását mutatja. Ennek a megoldásnak az az elônye, hogy a probléma kisebb aktív árammal kezelhetô és így egy nagyobb vagy több terhelést tud kompenzálni. 6

9 % Amplitúdó Harmonikus rendszám 9. ábra Teljesen kompenzált IT típusú terhelés % Amplitúdó Harmonikus rendszám 10. ábra Részlegesen kompenzált IT típusú terhelés Változtatható fordulatszámú hajtások A változtatható fordulatszámú hajtás áramának spektrumát mutatja részleges terhelésnél a 11. ábra. A nagyon nagy értékû 5. és 7. harmonikusok a létesítmény villamos hálózatán komoly problémát okozhatnak, például transzformátor túlmelegedést, és meghaladhatják az áramszolgáltató által megszabott harmonikus áramkorlátokat is. Teljes szûrésû aktív t alkalmazva, az eredményt a 12. ábra mutatja. A THDI 124%-ról 13.4%-ra csökken (9.3-ed részére), és az áram effektív érték 30%-kal csökken. 7

10 % Amplitúdó Harmonikus rendszám 11. ábra Változtatható fordulatszámú hajtás jellemzô áramspektruma % Amplitúdó Harmonikus rendszám 12. ábra szűrôvel kompenzált változtatható fordulatszámú hajtás eredô áramának spektruma Az aktív harmonikus szûrés elônyei Az aktív harmonikus szûrés elônyeit az alábbiakban lehet összefoglalni: A THDI nagymértékû csökkentése (mintegy tizedére) A teljesítménytényezôt javítja A frekvenciaváltozásra érzéketlen például idôszakos vészgenerátoros táplálás Nem okoz hálózati rezonanciát Nem terhelhetô túl Rugalmasan hangolható A felhasználó kívánsága szerint egyedi harmonikus frekvenciákra átprogramozható Az aktív harmonikus szôrô egy összetett problémára ad egyszerô megoldást. Rugalmasságának köszönhetôen könnyen igazítható a nemlineáris fogyasztói struktúra átrendezéséhez. 8

11 Network Partners Copper Benelux 168 Avenue de Tervueren B-1150 Brussels Belgium Tel: Fax: mail@copperbenelux.org Web: Contact: Mr B Dôme Copper Development Association Verulam Industrial Estate 224 London Road St Albans Hertfordshire AL1 1AQ England Tel: Fax: copperdev@compuserve.com Webs: & Contact: Mrs A Vessey Deutsches Kupferinstitut e.v Am Bonneshof 5 D Duesseldorf Germany Tel: Fax: sfassbinder@kupferinstitut.de Web: Contact: Mr S Fassbinder ECD Services Via Cardinal Maffi 21 I Pavia Italy Tel: Fax: info@ecd.it Web Contact: Dr A Baggini European Copper Institute 168 Avenue de Tervueren B-1150 Brussels Belgium Tel: Fax: eci@eurocopper.org Web: Contact: Mr H De Keulenaer Hevrox Schoebroeckstraat 62 B-3583 Beringen Belgium Tel: Fax: info@hevrox.be Contact: Mr I Hendrikx HTW Goebenstrasse 40 D Saarbruecken Germany Tel: Fax: wlang@htw-saarland.de Contact: Prof Dr W Langguth Istituto Italiano del Rame Via Corradino d Ascanio 4 I Milano Italy Tel: Fax: ist-rame@wirenet.it Web: Contact: Mr V Loconsolo KU Leuven Kasteelpark Arenberg 10 B-3001 Leuven-Heverlee Belgium Tel: Fax: ronnie.belmans@esat.kuleuven.ac.be Contact: Prof Dr R Belmans Polish Copper Promotion Centre SA Pl.1 Maja 1-2 PL Wroclaw Poland Tel: Fax: copperpl@wroclaw.top.pl Contact: Mr P Jurasz TU Bergamo Viale G Marconi 5 I Dalmine (BG) Italy Tel: Fax: graziana@unibg.it Contact: Prof R Colombi TU Wroclaw Wybrzeze Wyspianskiego 27 PL Wroclaw Poland Tel: Fax: i8@elektryk.ie.pwr.wroc.pl Contact: Prof Dr H Markiewicz

12 MGE UPS Systems Ltd Orion House High Street Harrow HA3 5EA Tel: Fax: Website: Shri Karve Magyar Rézpiaci Központ H-1053 Budapest Képíró u. 9. Magyarország Tel: (+36 1) Fax: (+36 1) Web: European Copper Institute 168 Avenue de Tervueren B-1150 Brussels Belgium Tel: Fax: eci@eurocopper.org Website: