Oddziaływanie na sieć zasilającą

Spis treści

• Przepisy i normy
• Oddziaływanie przekształtników na sieć zasilającą
• Przebiegi prądów pobieranych z sieci
• Wpływ wyższych harmonicznych na jakość pracy odbiorników
• Komutacyjne załamanie napięcia sieciowego
• Pobór mocy biernej
• Kompensacja mocy biernej

1. Przepisy i normy

Ustawa z dnia 10 kwietnia 1997 r. Prawo energetyczne [Dz.U. z 2022 r. poz.1385].
Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 4 maja 2007 r. w sprawie szczegółowych warunków funkcjonowania systemu elektroenergetycznego [Dz.U. z 2007 r. Nr 93. poz.623]
PN-EN 61000-2-4:2003 Kompatybilność elektromagnetyczna (EMC) — Część 2-4: Środowisko Poziomy kompatybilności dotyczące zaburzeń przewodzonych małej częstotliwości w sieciach zakładów przemysłowych
PN-EN 61000-3-2:2007 Kompatybilność elektromagnetyczna (EMC) — Część 3-2: Poziomy dopuszczalne
PN-EN 61800-1:2000 r. Elektryczne układy napędowe mocy o regulowanej prędkości. Wymagania ogólne. Dane znamionowe niskonapięciowych układów napędowych mocy prądu stałego o regulowanej prędkości.
PN-EN 61800-2:2000 r.: Elektryczne układy napędowe mocy o regulowanej prędkości. Wymagania ogólne. Dane znamionowe niskonapięciowych układów napędowych mocy prądu przemiennego o regulowanej częstotliwości.
PN-EN 61800-3:2008 Elektryczne układy napędowe mocy o regulowanej prędkości — Część 3: Wymagania dotyczące EMC i specjalne metody badań.

▲ do góry

2. Oddziaływanie przekształtników energoelektronicznych na sieć zasilającą

2.1. Wprowadzenie
Przekształtniki energoelektroniczne pobierają energię elektryczną z sieci prądu przemiennego w sposób bezpośredni lub pośredni, Najliczniejszą grupę przekształtników zasilanych bezpośrednio z sieci stanowią prostowniki zaliczane do odbiorników nieliniowych.
Ich praca wywiera bardzo niekorzystny wpływ na sieć zasilającą, a przede wszystkim na jakość pobieranej energii elektrycznej. Do podstawowych negatywnych zjawisk w tym zakresie należy: komutacyjne załamania napięcia sieciowego, odkształcenia przebiegów prądu sieci oraz opóźnienie prądu względem napięcia sieci. Główną przyczyną są przyrządy półprzewodnikowe, których charakterystyki napięciowo-prądowe są nieliniowe.
W czasie pracy przekształtnika tyrystorowego wyróżnić można wiele jego niekorzystnych oddziaływań na sieć zasilającą i wynikające stąd zakłócenia pracy innych urządzeń zasilanych z tej sieci. Do bezpośrednich zjawisk związanych z negatywnym oddziaływaniem przekształtników tyrystorowych na sieć zasilającą zalicza się:

1) występowanie komutacyjnych załamań w przebiegach napięć zasilających.
2) występowanie mocy biernej,
3) niesinusoidalny przebieg prądów pobieranych z sieci,
4) generacja wyższych harmonicznych,
Ponadto, do pochodnych zjawisk związanych z negatywnym oddziaływaniem zalicza się:

a) możliwość wystąpienia rezonansów szeregowych i równoległych dla harmonicznych generowanych przez przekształtniki,
b) występowanie szybkozmiennych spadków napięcia pierwszej harmonicznej na skutek poboru mocy biernej sterowania

▲ do góry

2.2. Przebieg prądów pobieranych z sieci

Prąd pobierany przez przekształtnik z sieci zasilającej, najczęściej o przebiegu zbliżonym do prostokątnego (trapezowego) lub „schodkowego”, zależy od liczby pulsów, indukcyjności obwodu obciążenia oraz sposobu połączeń transformatora sieciowego. Liczba takich przebiegów w jednej półfali prądu wzrasta wraz ze wzrostem liczby pulsów p prostownika.
Prąd pobierany przez przekształtnik z sieci zasilającej, poza harmoniczną podstawową (sinusoidalną) o częstotliwości napięcia zasilania, zawiera cały szereg harmonicznych wyższych częstotliwości, które niekorzystnie wpływają na pracę sieci i inne podłączone do tej sieci urządzenia. Harmoniczne prądu wpływają negatywnie na efektywność przesyłania energii elektrycznej szczególnie przy zasilaniu układów przekształtnikowych większej mocy.
Przebieg czasowy prądu w uzwojeniu pierwotnym  transformatora przekształtnika sześciopulsowego, przy połączeniu uzwojeń pierwotnych w gwiazdę (Yy0) przedstawiono na rysunku 1.

Rys. 1. Przebieg czasowy prądu w uzwojeniu pierwotnym transformatora przekształtnika sześciopulsowego,

     Rząd k generowanych harmonicznych prądu sieci zależy od liczby pulsów p  prostownika. Wielopulsowy mostkowy przekształtnik tyrystorowy, symetrycznie sterowany i zasilany, wymusza w przewodach liniowych linii zasilającej przepływ prądu o przebiegu zawierającym wyższe harmoniczne prądu. Oprócz harmonicznej podstawowej o częstotliwości równej częstotliwości przebiegu napięcia, zawiera on harmoniczne, których rząd k generowanych harmonicznych prądu sieci zależy od liczby pulsów p prostownika i określony jest następująco:

k = np ± 1.

przy czym:
p – liczba pulsów przekształtnika,
n = 1,2,3….- kolejne liczby naturalne.

     Wyższe harmoniczne, których rzędy otrzymano z zależności k = np ± 1n, w wyniku odejmowania, tworzą układ symetryczny kolejności przeciwnej, natomiast harmoniczne, których rzędy wyznaczono w wyniku dodawania, są symetrycznym układem trójfazowym o kolejności zgodnej.

W przekształtniku trójfazowym mostkowym występują harmoniczne rzędu k = 6n ± 1. Harmoniczne 5., 11., 17., 23.,….. mają przeciwny kierunek wirowania (są trójfazowym układem o kolejności przeciwnej), a harmoniczne 7., 13., 19., 25., ….są układem kolejności zgodnej. A zatem prostownik sześciopulsowy generuje harmoniczne 5 i 7, 11 i 13, itd, podczas gdy dwunastopulsowy począwszy od jedenastej.
W celu ograniczenia przepływu przez linię zasilającą wyższych harmonicznych prądu o znacznych wartościach skutecznych, przekształtniki dużej mocy wyposaża się w równoległe filtry wyższych harmonicznych prądu (najczęściej 5. i 7., a czasem dodatkowo 11).
Wraz ze wzrostem rzędu k harmonicznej prądu maleje jej amplituda. Większa częstotliwość generowanych harmonicznych oraz malejąca amplituda sprawiają, że moce ewentualnych filtrów sieciowych nie będą tak duże jak w przypadku filtracji wyższych harmonicznych niższych rzędów.

▲ do góry

2.3. Wpływ wyższych harmonicznych na jakość pracy odbiorników elektrycznych

Odbiorniki elektryczne z energoelektronicznymi obwodami wejściowymi przekształcają energię elektryczną prądu przemiennego na ten sam rodzaj energii, ale o innych parametrach niż w sieci zasilającej (wartość prądu, napięcia, częstotliwości). Taka przemiana pozwala sterować w sposób energooszczędny przekształceniem energii elektrycznej na inny rodzaj energii potrzebny do procesu produkcyjnego.
Dotyczy to przekształcenia na energię mechaniczną (głównie silniki elektryczne), świetlną (energooszczędne źródła światła), chemiczną (procesy elektrochemiczne), grzewczą (sterowane elektryczne źródła ciepła). Również obiekty biurowe i mieszkalne w coraz większym stopniu wyposażane są w odbiorniki elektryczne z obwodami wejściowymi energoelektronicznymi służącymi do sterowania energią elektryczną (regulowane wentylatory klimatyzacji, pompy tłoczące czynnik grzewczy, grzałki, odkurzacze, miksery, żarówki energooszczędne) lub do zamiany parametrów sieciowych (prąd, napięcie, częstotliwość) na napięcie i prąd o wartościach stałych (zasilacze komputerów, faksów, kopiarek itp.).
Zastosowanie energooszczędnych elementów półprzewodnikowych (diody, tyrystory i tranzystory różnego typu) pozwala z jednej strony oszczędzać energię elektryczną, a z drugiej strony (głównie wtedy, gdy są stosowane bez znajomości wszystkich zjawisk elektrycznych) wprowadzają do energetycznej sieci zasilającej zakłócenia.
Ogólnie można stwierdzić, że występowanie wyższych harmonicznych w napięciu sieci energetycznej zasilającej zakłady przemysłowe jest efektem zakłóceń powstających w danym zakładzie przemysłowym lub w innym obiekcie i przenoszonych poprzez wspólną sieć.

▲ do góry

2.4. Komutacyjne załamania napięcia sieciowego
Podczas komutacji następuje przekazywanie prądu obciążenia I_d z jednej gałęzi przekształtnika do drugiej (z jednego zaworu przekształtnika przez drugi zawór wchodzący do pracy).      Zjawisko to polega na występowaniu krótkotrwałych i cyklicznie powtarzających się stanów zwarciowych faz komutujących ze sobą. Objawia sie to krótkotrwałą zmianą wartości chwilowej napięcia fazy komutującej (Rys. 2), określaną jako komutacyjne załamanie napięcia. Podczas komutacji prostej – dwóch faz układu zasilania, przy komutacji złożonej – kilku faz).

Rys. 2. Komutacyjne załamania napięcia sieciowego

     Komutacyjne załamania napięcia charakteryzują się: głębokością załamania ΔU; szerokością załamania µ i powierzchnią załamania A. Miarą głębokości komutacyjnych załamań napięcia jest stosunek głębokości załamania ΔU do wartości chwilowej u nieodkształconego napięcia w miejscu wystąpienia załamania. Szerokość załamania odpowiada kątowi komutacji natomiast powierzchnia załamania

A = ΔU · µ

     Komutacyjne załamania napięcia sieci mogą zakłócać pracę układów sterowania tyrystorów wszystkich przekształtników zasilanych z tej samej sieci oraz niekorzystnie wpływać na pracę urządzeń pomiarowych, elektronicznych i sterujących przyłączonych do tej sieci.
Jakość napięcia sieci elektroenergetycznej jest określana wieloma parametrami między innymi zawartością harmonicznych. Harmoniczne prądu pobieranego przez przekształtnik powodują na indukcyjnościach sieci zasilającej odkształcenia napięcia w punkcie przyłączenia przekształtnika jak również w innych odległych punktach sieci.
Liczba uwzględnionych harmonicznych decyduje o dokładności odwzorowania przebiegu prądu. Harmoniczne prądu sieci przyczyniają się do wzrostu strat przesyłu energii elektrycznej w linii, transformatorze, urządzeniach rozdzielczych itd. na skutek zwiększenia wartości skutecznej prądu sieci. Powodują one również zmniejszenie impedancji kondensatorów stosowanych do kompensacji mocy biernej, co może prowadzić do ich uszkodzenia.
Negatywne oddziaływanie harmonicznych w prądzie sieci oznacza także możliwość wystąpienia rezonansu równoległego układu zasilania z baterią kondensatorów, skutkiem czego może być wielokrotny wzrost amplitudy określonej harmonicznej (rezonansowej) prądu sieci oraz uszkodzenie zarówno baterii, jak i przekształtnika.
Najprostszym i powszechnie stosowanym środkiem łagodzącym odkształcenie prądu są dławiki sieciowe włączane na wejściu przekształtnika.
Całkowity współczynnik odkształcenia – THD (total harmonic distortion factor) – można wyrazić jako iloraz skutecznej wartości zawartości harmonicznych (bez składowej podstawowej) do skutecznej wartości całego przebiegu (z harmoniczną podstawową). Główną przyczyną występowania wyższych harmonicznych prądu i napięcia o częstotliwościach będących wielokrotnością częstotliwości sieciowej 50 Hz, jest praca odbiorników z energoelektronicznymi nieliniowymi układami wejściowymi. Do oceny ilościowej występowania wyższych harmonicznych prądu lub napięcia służą najczęściej współczynniki zniekształceń harmonicznych definiowanych jako:
dla napięcia:

dla prądu:

gdzie;
U₁, ((I₁) – wartość skuteczna pierwszej harmonicznej napięcia lub prądu;
U_h, (I_h) – wartość skuteczna napięcia (prądu) dla harmonicznej rzędu n;
n – liczba harmonicznych uwzględniona do rozważań.

     Zgodnie z Rozporządzeniem Ministra Gospodarki z dnia 4 maja 2007 r. w sprawie szczegółowych warunków funkcjonowania systemu elektroenergetycznego, współczynnik odkształcenia wyższymi harmonicznymi napięcia zasilającego THD, wyznacza się ze wzoru:

przy czym poszczególne symbole oznaczają:
THD – współczynnik odkształcenia harmonicznymi napięcia zasilającego,
uh – wartość względną napięcia w procentach składowej podstawowej,
h – rząd wyższej harmonicznej.

▲ do góry

2.5. Pobór mocy biernej

Moc bierna pobierana przez przekształtnik ma dwie składowe: moc sterowania i moc komutacji. Moc bierna sterowania Q_s jest wynikiem zmiany kąta przesunięcia fazowego φ₁ między przebiegiem napięcia a pierwszą harmoniczną odkształconego prądu.
Moc bierna komutacji wywołana jest reaktancją obwodów komutacji zaworów. W celu wykazania skutków wynikających z poboru mocy biernej przy pominięciu procesów komutacyjnych α₂ = φ₁ można przyjąć, że impedancja zastępcza systemu (źródła) Z_s ≠ 0 jest równa reaktancji zastępczej X_s. Zakładając dodatkowo, że napięcie zasilające przekształtnik jest nieodkształcone (U₁ = U) wartość mocy biernej sterowania Q_s w układzie trójfazowym można opisać wzorem:

Q_s = 3U I₁sinφ₁ = 3 U I₁sinα_z

gdzie:
U₁ = U – wartość skuteczna napięcia fazowego,
I₁ – wartość skuteczna harmonicznej podstawowej prądu,
φ₁ – kąt przesunięcia fazowego między przebiegiem napięcia a harmoniczna podstawową prądu.

     Przy takich założeniach upraszczających moc bierna sterowania Q_s jest mocą bierną podstawowych harmonicznych.

Rys. 3. Schemat zastępczy układu zasilania prostownika
Oznaczenia: E_s – SEM układu zasilania, X_s – reaktancja zastępcza układu, S_zw – moc zwarciowa układu na szynach zbiorczych, U_N – napięcie znamionowe szyn, Q – moc bierna pierwszej harmonicznej pobierana z systemu, Q_k – moc bierna pierwszej harmonicznej kompensatora nadążnego.

     Względna wartość spadku napięcia podstawowej harmonicznej U_R spowodowana szybkozmiennym poborem mocy biernej sterowania Q_s przyjmie postać:

gdzie:
∆U₁– względny spadek napięcia dla pierwszej harmonicznej,
U_N – znamionowa wartość skuteczna napięcia międzyfazowego na szynach.

     Zmieniając kąt załączania tyrystorów przekształtnika zmieniamy kąt przesunięcia fazowego harmonicznej podstawowej prądu względem napięcia zasilającego. Ze wzrostem kąta opóźnienia zapłonu (α) tyrystorów wzrasta kąt fazowy φ₁ (Rys. 4). Wynika stąd, że przekształtnik jest odbiornikiem pobierającym moc bierną indukcyjną, wywołującą spadki napięcia na elementach reaktancyjnych sieci. W przypadku przekształtnika jest to o tyle uciążliwe, że pobór tej mocy zmienia się wraz z regulacją kąta wysterowania tyrystorów (np. podczas regulacji obrotów silników prądu stałego).
Zmienne obciążenie bierne powoduje powstawanie zmiennych, w czasie, spadków i wahań napięcia, gdyż w sieciach o charakterze reaktancyjnym (indukcyjnym) spadki napięcia wywołuje głównie składowa bierna podstawowej harmonicznej prądu. Zmienne, w czasie, duże obciążenia bierne wnoszone przez prostowniki tyrystorowe mogą wywoływać spadki napięcia i jego wahania w niedopuszczalnym zakresie. Jest to szczególnie ważne w sieciach o małej mocy zwarcia (dużej reaktancji). Aby zmniejszyć obciążenie bierne pochodzące od podstawowej harmonicznej prądu, poszukuje się takich układów prostowników, które wywołują mniejsze obciążenie bierne.

Rys. 4. Przebiegi czasowe prądu i napięcia zasilającego prostownik sterowany ( przy pominięciu procesów komutacji)

     Tyrystorowe przekształtniki energoelektroniczne są odbiornikami pobierającymi z sieci zasilającej moc bierną indukcyjną. Występujące w przekształtnikach zjawisko komutacji ma wpływ na współczynnik przesunięcia fazowego cosφ₁, zmniejszając jego wartość . Na przykład kąt komutacji μ = 30° wywołuje zmniejszenie współczynnika cosφ₁ o około 7%. Dodatkowe zmniejszenie tego współczynnika występuje w przypadku zastosowania transformatora przekształtnikowego i jest spowodowane poborem mocy biernej związanej z prądem magnesującym transformatora.
Z wykresu kołowego na rysunku 5. wynika, że proces komutacji wpływa na wartość mocy biernej, zwiększając ją w zakresie pracy prostownikowej i zmniejszając dla falownika. Zmiana kierunku przepływu energii nie wpływa na charakter obciążenia biernego. Moc bierna podstawowej harmonicznej obciążająca źródło i linię przesyłową jest bardzo niekorzystną cechą prostownika tyrystorowego. Moc ta jest zmienna w czasie, gdyż jej wartość jest funkcją średniej wartości napięcia wyprostowanego. Osiąga ona dla α =π/2 czyli dla U_d = 0 wartość największą i maleje do 0 przy α = 0 lub π.
Oznacza to, że prostownik zasilający np. układ napędowy w początkowej fazie rozruchu, gdy napięcie silnika jest bliskie zera i dostarczana do niego moc czynna jest bardzo mała, obciąża źródło maksymalną wartością mocy biernej podstawowej harmonicznej.

Rys. 5. Względna wartość mocy biernej przesunięcia fazowego pobieranej
przez przekształtnik tyrystorowy w funkcji jego wysterowania.

     Układy prostownikowe należy projektować tak, aby w miarę możliwości długotrwałe obciążenie znamionowe występowało przy małych wartościach kątów α i β. Zmienność poboru mocy biernej indukcyjnej stwarza problemy w jej kompensacji.

▲ do góry

2.6 Kompensacja mocy biernej

Zmienne w czasie obciążenie bierne powoduje powstawanie zmiennych spadków napięcia na reaktancjach sieci zasilającej oraz dodatkowych strat mocy na rezystancjach systemu zasilającego. Wywołane zmiennym obciążeniem biernym spadki napięcia mogą osiągać wartości wymagające zastosowania środków dla ich ograniczenia.
Klasyczne metody kompensacji mocy biernej, polegające na załączeniu na stałe baterii kondensatorów dla tego rodzaju obciążenia są nieskuteczne ze względu na duże i szybkie zmiany mocy biernej prostownika tyrystorowego. Kompensacja takich obciążeń może być realizowana między innymi za pomocą:

a) specjalnych nadążnych kompensatorów ,
b) przełączalnej baterii kondensatorów wraz ze sterownikiem prądu indukcyjnego jako dynamicznego kompensatora mocy przesunięcia,
c) rezonansowych filtrów indukcyjno – pojemnościowych do ograniczenia zawartości wyższych harmonicznych napięcia i prądu linii zasilającej przekształtnik ,
d) energoelektroniczne kompensatory mocy biernej przesunięcia i odkształcenia (tzw. filtry aktywne ).

Rys. 6. Schemat ideowy układu trójfazowego kompensatora mocy biernej z łącznikami tyrystorowymi

     Jeśli moc bierna pobierana przez przekształtnik lub zespół przekształtników wykazuje nieznaczne wahania , to można stosować kompensatory statyczne w postaci baterii kondensatorów. Kompensatory kondensatorowe mogą być podzielone na równoległe sekcje, włączane za pomocą łączników tyrystorowych, zależnie od zapotrzebowania na moc bierną przesunięcia.

▲ do góry