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, 2008.09.11.
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.
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
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
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 0,00 0 60 120 180 240 00 60 420 480 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 0,00 0 60 120 180 240 00 60 420 480 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 0,00 0 60 120 180 240 00 60 420 480 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 0,00 0 60 120 180 240 00 60 420 480 N nulla vezető árama R fá zisfesz. Áram trendvonala -200,00-200,00-00,00-00,00-400,00-400,00
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
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 = 0 7 2 1/2 P E sinωt 5 4 u / i sin / I sin i / 2 1/2 I eff 450 400 Ieff / Isin [%] Vezetési sz ög [fok] a relatív egyenfeszültség függvényében I*Pnom/Patlag 2 1 0 0 0 60 90 120 150 180 210 240 270 00 0 60-1 -2 - -4-5 60*ωt / 2π 50 00 V ez. szög [fok] 250 Ieff/Iszi nusz% 200 150 120-175% 100 75-6 fok 50 0 0,0 0 0,10 0,20 0, 0 0,40 0,50 0,6 0 0,70 0,80 0,90 1,0 0 E /
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 0,100-0,100-0,00-0,500-0,700-0,900-1,100 0 0 60 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 120 150 180 i fok i sin 210 240 270 00 0 60 8 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 0,100-0,100-0,00 0 0 60 90 120 150 180 210 Z = R E 240 270 00 0 60 nominált ér tékek 0,700 0,500 0,00 0,100-0,100-0,00 0 0 60 90 120 150 180 210 Z = R E + jωl L/ R E >> 1/ω 240 270 00 0 60-0,500-0,700-0,900-1,100 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
Az 1 és fázisú egyenirányító terhelés hullámalak torzítást kifejező mennyiségei 9 Harmonikus-paraméterek és a vezetési szög (ei. terhelés).4.2 2.8 2.6 2.4 2.2 2 1.8 1.6 1.4 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2-0.2-0.4 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 0 60 90 120 150 180 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
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!
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
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!
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.
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 0.1-10A 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, 1995-200.) CH1: i (10mV -:- 0,5 A) CH2: u (1 V -:- 100 V) Folytonos üzemmódú 854_E-F
15 Fogyasztók hálózatszennyező és hálózatbarát változatai 1/µ µ = 1,75 CH1: i CH2: u (10m V- :- 0,5 A) (1 V -: - 100 V) CH1: i CH2: u FCSOK _ 1R Kompakt fénycső (Kína 1) (10m V- :- 0,2 A) (1 V -: - 100 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 -: - 100 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 -: - 100 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
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!!!
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
A csoportos megoldás áramkörkészlete 18 1. 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
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.
Várható problémák és kezelésük Praktikusan 400-600 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
Közbülső egyenáramú energiaelosztó rendszer váltakozó áramú fogyasztók részére ( 200-ban DE 101 1 226 A1 szerint) A rendszerből elhagyható 21 DE 101 1 226-ban Fogyasztókban
22 DC power distribution for server farms E.C.W. de Jong & P.T.. Vaessen, KEA Consulting, September 2007 http://www.leonardo-energy.org DC elosztásnál felesleges AC elosztórendszer járulékos DC és AC energiaforrásokkal DC elosztáshoz még szükséges DC elosztórendszer járulékos DC és AC energiaforrásokkal
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
Daru erősáram ramú hajtásrendszere 24 Közös DC elosztó sínről táplált hajtások f hálózat nidrive DC elosztó sín V W NI R1 + - V W NI + R2 - + - NI 1 + - NI 2 + - NI + - NI 4 + - NI 5 + - NI 6 + - NI 7 + - NI 8 + - 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
Direct-Current Voltage (DC) in Households by Peter Vaessen, KEA Consulting, September 2005 email peter.vaessen@kema.com 25 Tipikus huzal és adapter terror Racionális energiaelosztás víziója egy családi házban
26 Köszönjük megtisztelő figyelmüket Horváth iklós horvath@difilton.hu Dr. Borka József borka@difilton.hu Készséggel válaszolunk kérdéseikre. Kapcsolódó irodalom: [1] Stefan Faßbinder: Netzstörungen durch passive und aktive Bauelemente. VDE Verlag GmbH, 2002. Berlin [2] Jessler & Gsell GmbH Leistungselektronik Energiemanagement: Harmonics Theory. www.jessler-gsell.de/de/0_harmtheor.html [] Horváth. Dr. Borka J.: Energiamegtakarítást és hálózatszennyezés-csökkentést eredményező villamosenergia-elosztás a kommunális fogyasztók körében. Elektrotechnika, 200. október, 96. évf. 10. sz. 274-276. old (1. rész), 11. sz. 02-06. old. (2. rész). [4] K. Heumann: A teljesítményelektronika alapjai. űszaki könyvkiadó, Budapest, 1979.