Harmonické Pasivní filtry

Transkript

1 Kvalita elektrické energie - průvodce Harmonické Pasivní filtry Harmonické HUNGARIAN COPPER PROMOTION CENTRE

2 Pasivní filtry Stefan Fassbinder, Deutsches Kupferinstitut, June 2003 Překlad: Josef Gavlas, Miloslav Kužela, Pavel Santarius, FEI Technická univerzita Ostrava, únor 2004 Tento prûvodce byl zpracován a vydán jako ãást Leonardo Power Quality Initiative (LPQI), Evropského vzdûlávání a cviãebních programû za podpory Evropské komise(pod programem Leonardo da Vinci) a Mezinárodní Asociací Mûdi. Pro dal í informace nav tivte www stránky LPQI Hungarian Copper Promotion Centre (HCPC) HCPC je nezisková organizace financovaná producenty mûdi a v robci zpracovávajícími mûì. Jejím cílem je podporovat pouïívání mûdi a mûdûn ch slitin a napomáhat jejich správné a úãinné aplikaci. SluÏby HCPC, mezi nûï patfií i poskytování informací a technického poradenství, jsou dostupné zájemcûm o vyuïití mûdi ve v ech oborech. SdruÏení rovnûï slouïí jako prostfiedník mezi v zkumn mi organizacemi a prûmyslov mi uïivateli a udrïuje tûsné styky s obdobn mi stfiediskami mûdi ve svûtû. Fakulta elektrotechniky a informatiky VŠB Technická univerzita Ostrava (FEI - TUO) Fakulta elektrotechniky a informatiky zahájila svou ãinnost na V B Technické univerzitû v Ostravû od 1. ledna Fakulta zaji Èuje v echny formy vysoko kolského studia (tj. bakaláfiské, magisterské a doktorské) ve studijním programu Elektrotechnika a informatika s ucelenou strukturou elektrotechnick ch oborû a inïen rské informatiky. Nedílnou souãástí ãinností pedagogû na fakultû je i vûdecko-v zkumná ãinnost, kde jedním z nosn ch programû je kvalita elektrické energie s hlavním zamûfiením na problematiku monitorování parametrû kvality a na problematiku harmonick ch v elektrick ch sítích. European Copper Institute (ECI) European Copper Institute je organizací zaloïenou podporujícími ãleny ICA (International Copper Association) a IWCC (International Wrought Copper Council). ECI zastupuje nejvût í svûtové producenty mûdi a pfiední evropské v robce pfii propagaci mûdi v Evropû. ECI, kter byl zaloïen v roce 1996, se opírá o síè deseti národních organizací mûdi (Copper Development Associations - 'CDAs') v Beneluxu, Francii, Nûmecku, ecku, Maìarsku, Itálii, Polsku, Skandinávii, panûlsku a Spojeném království. Navazuje na ãinnost sdruïení Copper Products Development Association zaloïeného v roce 1959 a INCRA (International Copper Research Association) zaloïeného v roce Upozornění Obsah tohoto materiálu nemusí nutnû vyjadfiovat názor Evropského spoleãenství a není pro nûj ani závazn. European Copper Institute a Hungarian Copper Promotion Centre odmítají odpovûdnost za jakékoliv pfiímé, nepfiímé ãi vedlej í kody, které mohou b t zpûsobeny nesprávn m vyuïitím informací v této publikaci. Copyright European Copper Institute a Copper Development Association. âeská verze byla pfiipravena ve spolupráci HCPC a Fakulty elektrotechniky a informatiky V B - Technické Univerzity Ostrava. Reprodukce je moïná za pfiedpokladu, Ïe materiál bude oti tûn v nezkrácené podobû a s uvedením zdroje. HUNGARIAN COPPER PROMOTION CENTRE Hungarian Copper Promotion Centre Képíró u. 9 H Budapest Maìarsko Tel.: Tel.: hcpc@euroweb.hu Website: V B-TU Ostrava Fakulta elektrotechniky a informatiky Katedra elektroenergetiky 17. listopadu 15 CZ Ostrava-Poruba Tel.: Tel.: pavel.santarius@vsb.cz 2 Website: homen.vsb.cz/san50/ European Copper Institute 168 Avenue de Tervueren B Brussels Belgium Tel.: Fax: eci@eurocopper.org Website:

3 Základy V Části tohoto Průvodce je vysvětleno, proč by mělo docházet ke kompenzaci jalového výkonu a jak toho nejlépe dosáhnout. Jalový výkon je vždy nechtěná oscilace energie. Pokud bereme v úvahu harmonické proudy, nelze o nich vždy s jistotou uvažovat jako o jiném typu jalového výkonu. Harmonické proudy mohou vznikat v systémech, ve kterých není energie a ve kterých je znaménko (složeného) proudu rovno znaménku napětí v celém cyklu (např. regulátor fáze-úhel žárovky). Harmonický proud, pro který neexistují významné napěťové harmonické stejných řádů, jež by jím byly násobené, se někdy označuje termínem "bezwattový (jalový) proud" - součin proudu a napětí pro konkrétní řád je roven nule. Harmonické proudy mají nicméně mnoho společného s jalovými proudy: Oba jsou nežádoucí, neboť vyžadují část kapacit generátorů, kabelů a transformátorů, zatímco nepřispívají ničím k výrobě a přenosu elektrické energie. Oba způsobují dodatečné ztráty - protože pokles napětí je fázově svázán s proudem, součin je reálný a nenulový. Harmonické vznikají převážně v energeticky náročných zátěžích a tečou zpět ke zdroji energie, proti normálnímu toku energie (Obr. 1). (Výjimkou je obnovitelný zdroj energie připojený k síti pomocí elektronického měniče, kde harmonické tečou směrem od zdroje.) Základní jalový výkon nemá definovaný směr - vstup induktivního jalového výkonu je ekvivalentní s výstupem kapacitního jalového výkonu a naopak. Proto by mělo být možné bojovat s jalovým výkonem a harmonickými podobnými prostředky. Toto je skutečný význam a námět této poznámky. Základní fakta jsou detailněji uvedena níže, aby bylo zajištěno správné pochopení informací prezentovaných v Části Induktance L, a kapacitance C, mají méně společného s odporovými elementy než by se mohlo zdát. V téměř každé elektrotechnické literatuře, včetně tohoto Průvodce, jsou L a C klasifikovány jako lineární zařízení, u kterých je proud úměrný napětí. Toto ve skutečnosti platí jen pro čistou sinusovou vlnu. Pokud uvažujeme okamžité hodnoty, napětí je úměrné změně proudu v L za jednotku času, a proud je úměrný změně napětí v C za jednotku času. To nás přivádí k následujícímu bodu. V odporovém elementu vyvolává sinusové napětí sinusový proud a sinusový proud způsobuje sinusový pokles napětí. Toto se jeví jako triviální vzhledem k úměrnosti mezi zmíněnými veličinami. Také v reaktančním prvku vyvolává sinusové napětí sinusový proud a tento proud způsobuje sinusový pokles napětí. Tento případ již zdaleka není triviální a abychom byli přesní, není to dokonce ani pravda. Sinusové napětí připojené na kondenzátor v něm vyvolá kosinusový proud a při připojení na tlumivku vyvolá negativní (záporný) kosinusový proud. V praxi to nepředstavuje žádný velký rozdíl, vzhledem k tomu, že sinus i kosinus mají stejný průběh a liší se pouze počátečním bodem, tedy různým fázovým úhlem. (V praxi nás zajímá fázový úhel, ale počáteční bod nás nezajímá a nemá žádný vliv.) ENERGIE (činný výkon) Harmonické Obrázek 1 - Harmonické vznikající v zátěží a tekoucí "proti proudu" směrem ke zdroji 1

4 Tyto úvahy vedou k následujícím bodům: Připojení napětí nesinusového průběhu na reaktanční prvky nevyvolá proud podobného průběhu. Obdélníky se stanou trojúhelníky, přímky se ohnou a zešikmení se narovnají. Opačný efekt je rovněž možný, vzhledem k výše zmíněné úměře. Odpor ohmického prvku, při připojení napětí, ať už je či není sinusové, střídavého nebo stejnosměrného, je v principu konstantní pokud ignorujeme skinefekt. U induktivních prvků roste reaktance úměrně s frekvencí. U kapacitních prvků klesá reaktance úměrně s rostoucí frekvencí. To má důsledky na jejich chování při nesinusových napětích a proudech, které se, jak bylo zmíněno výše, od sebe odchylují. Tyto průběhy můžeme reprezentovat jako nekonečné množství různých frekvencí (tak zvaná Fourierova analýza). Toto chování může přivodit jistá rizika, jako např. přetížení kondenzátoru zmíněné v Části 3.1.2, ale může být také s výhodou využito v pasivních filtrech. Filtrační obvody pro individuální frekvence Konkrétní L a C mají stejnou absolutní reaktanci při přesně definované frekvenci, tzv. resonanční frekvenci: Navíc je jedna z komponent fázově posunuta o 90 a druhá o -90 vhledem k proudům. To v případě, že jsou zapojeny paralelně, nebo vhledem k poklesu napětí mezi nimi, v případě, že jsou zapojeny do série. Pro filtrování harmonických se normálně používá sériové zapojení LC (sací obvod), paralelní zapojení (hradící obvod) se používá jen v několika málo speciálních případech. Zde se budeme zabývat pouze sériovým zapojením. Dva úbytky napětí (přes kapacitanci a induktanci) jsou vzájemně posunuty o 180, mají tedy opačnou polaritu. Dokonce i bez použití komplexního prostoru je zřejmé, že se reaktance L a C v sériovém LC filtru od sebe odečtou. Ve skutečnosti se však sečtou, ale vlivem opačného znaménka je výsledek stejný. Při rezonanční frekvenci, kdy jsou velikosti jejich reaktancí shodné, se navzájem vynulují. Proto je v praxi filtrační (sací) obvod při této konkrétní frekvenci zkratem. Zbývá nám vzít v úvahu odpor, povětšinou z vinutí reaktoru, který lze ale udržet dostatečně nízký. Sériově vyladěný obvod se chová jako filtrační obvod (tzn. nízká impedanční cesta) při frekvenci pro kterou byl vyladěn. Používá se pro kompenzaci harmonických proudů, produkovaných částí nebo několika částmi zařízení, kterým brání téci zpátky ke zdroji. Harmonický proud vzniká v zátěži a teče zpět směrem ke zdroji energie a pasivnímu filtru, kde se rozdělí podle Kirchhoffových zákonů v opačných poměrech k impedancím. Protože harmonický proud protéká přes impedanci, dochází ke vzniku harmonických napětí, které se projevují jako zkreslení na zdroji energie. Účelem filtru je snížit velikost harmonického proudu, který teče zpět do napájecí sítě, a tím i zkreslení způsobeného harmonickými napětími. Všimněme si, že pokud chceme filtračním obvodem redukovat potencionální napěťové harmonické určitého řádu o více než 50%, musí mít nižší impedanci než je zkratová impedance sítě při dané frekvenci. Protože v pasivních filtrech a kompenzačních kondensátorech dochází ke ztrátám, část energie je ztracena ve formě tepla. Jako obvykle, dosažení nižších ztrát vyžaduje použití více materiálu - vodiče s větším průřezem, s větším množstvím kvalitnější magnetické oceli - což zvyšuje cenu. V extrémních případech dochází při použití levných (= s vysokými ztrátami) částí ke ztrátě peněz, uspořených díky kompenzaci jalového výkonu, a to vlivem činných ztrát v kompenzaci. Konec konců, poplatek za jalový výkon není obvykle tak velký, jako za činný výkon. Ztráty magnetizační a vlivem vířivých proudů v oceli, dielektrické a ohmické ztráty v kondenzátoru jsou za normálních okolností tak malé, že je není třeba brát v úvahu, přinejmenším dokud se bavíme o chování filtru. Nicméně, tyto ztráty vedou ke vzniku tepla a jsou důležitými parametry při návrhu; jsou příčinnou přehřívání a následných poruch v případě, že je systém přetížen. Ztráty rovněž ovlivňují kvalitu filtrování. Přesnost separace chtěných od nechtěných frekvencí je mnohem větší v případě, že jsou ztráty malé. Pro ocenění kvality definujeme činitel jakosti jako podíl reaktance a odporu. 2

5 Kompenzace jalového výkonu Kompenzátory jalového proudu jsou ovlivněny harmonickými (jak bylo vysvětleno v Části toho Průvodce) a je doporučeno, aby kondenzátory pro kompenzaci účiníku byly hrazeny. Ve skutečnosti někteří dodavatelé elektrické energie hrazení vyžadují. "Hrazení" znamená zapojení reaktoru do série s kompenzačním kondenzátorem tak, že kombinace kondenzátor/indukčnost se při základní napájecí frekvenci chová jako kondenzátor, ale má definované chování pro harmonické frekvence. Jednoduchý (nehrazený) kompenzační kondenzátor je ve skutečnosti část filtračního obvodu vytvořeného induktivními prvky v síti, obzvláště rozptylovou reaktancí transformátorů. V okolí transformátorů povede rezonance k nadměrným harmonickým proudům a k nadměrným poklesům napětí. Jak bylo vysvětleno, jsou při vyladěné frekvenci velikosti poklesů napětí na induktivních a kapacitních prvcích stejné, ale navzájem otočené o 180, což dává výsledný "nulový" pokles napětí. Nicméně je při rezonanci nebo v její blízkosti pokles napětí na každém elementu mnohem vyšší než bychom očekávali např. na síťové impedanci v bodě společného napájecího bodu. Pokud tedy posuzujeme prvky samostatně, na každém z nich je velikost poklesu napětí velká, přestože pokles napětí celku (celé kombinace) je malý. To vysvětluje proč "náhodné" filtrační obvody (např. kompenzační kondenzátor s rozptylovou reaktancí) představují problém - instalace je za kapacitním prvkem a vidí tato zesílená napětí. Pokud záměrně přidáme induktivní prvek, instalace je za výsledným poklesem napětí filtru. Zvýšená napětí zůstávají uvnitř kompenzační sekce, řekněme za kondenzátory zkonstruovanými pro tyto hodnoty napětí, ale na vnějších svorkách se nemůže objevit resonance nebo zvýšené napětí. Je dobré si zapamatovat, že zejména v případě použití jednofázové nelineární zátěže, jsou přítomny ve 100 Hz intervalech harmonické frekvence od 50Hz až do více než 1 khz, takže je zde široký prostor pro vznik resonancí. Kombinovaná kompenzace a filtrace V praxi jsou funkce pro kompenzaci jalového výkonu a filtrování harmonických proudů často kombinovány. Obvykle se nastavuje resonanční frekvence LC obvodu na neharmonickou frekvenci, protože může snadno dojít k přetížení kompenzátorů. Jmenovitá hodnota reaktorů se většinou udává jako procentuální podíl z jmenovitého jalového výkonu kondenzátorů při 50 Hz. Například 5% míra rozladění znamená, že 1/20 napěťových poklesů na L a 21/20 poklesů na C se odečte na celkových 100%. Při dvacetinásobku frekvence, řekněme 1000 Hz, dojde k převrácení poměru, takže resonanční frekvence, při které jsou si X L a X C rovny, leží uprostřed mezi těmito dvěma frekvencemi. Přesněji řečeno: Další z běžných hodnot, 7%, vyvolává resonanční frekvenci 189 Hz a tím předchází zkratům pro kteroukoliv harmonickou. Protože je LC kombinace za napájecí sítí, mohou jí protékat harmonické z externích zdrojů stejně snadno jako z interních, pro které byla navržena. Pokud proto používáte takovýto filtr a váš soused nikoliv, můžete váš filtr předimenzovat. Předimenzování nejenom že zabrání neočekávaným přetížením, ale rovněž zlepší kvalitu filtru, tzn. přesněji oddělí žádoucí frekvence od nežádoucích s menšími energetickými ztrátami. Tento efekt je snížen v případech, kdy je instalace izolována od ostatních instalací pomocí distribučního transformátoru, který má vlastní induktanci. Aktivní harmonické filtry (AHC) bývají také běžně provozovány paralelně k hlavním vedením (jako bočníky). Nyní je situace lehce odlišná. Tato elektronická zařízení analyzují harmonické proudy na straně zátěže a generují přesně tyto harmonické pro další cyklus. Výsledkem je, že harmonické proudy jsou dodávány z filtru a základní proud ze zdroje. Pokud celkový požadavek na harmonické proudy přesahuje kapacitu filtru, jsou umožněny částečné korekce a dodání některých harmonických proudů je ponecháno na zdroji. AHC operují pouze s harmonickými proudy, které jsou přítomny na straně zátěže, tzn. v bodě 3

6 měření proudu. Pokud je tedy kapacita AHC dostatečná pro danou zátěž, neovlivní tato zátěž kvalitu elektrické energie zdroje. Pokud zátěž nebude aktivní, ani filtr nebude aktivní. Další informace o nasazení AHC jsou uvedeny v Části tohoto Průvodce. V jistém slova smyslu je pasivní filtr vždy aktivní - je vždy na pozoru a čeká na "svou" harmonickou. Pasivní filtrační obvody vyladěné na resonanční frekvence např. 150 Hz (11% rozladěné reaktance) nebo 250 Hz (4% rozladěné reaktance), přijímají každou amplitudu třetí a páté proudové harmonické až do pásma přetížení, jak již napovídá název. Toto závisí na množství harmonických nacházejících se v hlavním vedení a nezávisí na účincích jedné konkrétní zátěže. Z tohoto důvodu by měly být bohatě dimenzovány. Většinou to nepředstavuje finanční problém, pokud srovnáváme s aktivními filtry. Jalový proud Jak již bylo řečeno, tam kde se v distribučním systému objevuje jalový výkon (většinou induktivní jalový výkon), část energie ve vedení není přenesena od zdroje k zátěži. Spíše však osciluje tam a zpět od kapacitance k reaktanci při frekvenci 100 Hz. Pro určité časové intervaly mají napětí a proud opačné polarity (Obrázek 2). Při pohledu na harmonické se zdá obrázek velmi podobný. Na Obrázku 3 je zakreslen samostatně výkon třetí proudové harmonické. Přenášený výkon je roven násobku třetí proudové harmonické a napětí přítomného ve vodiči; předpokládáme, že napětí ve vedení má stále čistý, sinusový průběh. Lze ukázat, že oblasti nad osou a pod osou se vyruší, což znamená, že k žádnému přenosu energie nedojde. Proud třetí harmonické je tedy čistě jalový. Ale protože harmonické způsobují další ztráty, musí s nimi být spojován nějaký činný výkon. Tento zjevný rozpor pochází ze špatného předpokladu, že napětí ze zdroje neobsahuje žádné harmonické. To je nemožné, protože od okamžiku kdy protéká nějaký 150 Hz proud, způsobí nějaký činný - a pravděpodobně i jalový Hz pokles napětí. To znamená, že jakmile bude v proudu přítomna jakákoliv dodatečná frekvence, jisté množství této frekvence bude přítomno i v napětí. Pouze v případě kdy jsou přítomny proud i napětí o stejné frekvenci, může vznikat činný výkon při stejné frekvenci. V této chvíli by mělo být zřejmé, že k tomuto bude vždy v určité míře docházet. Odpor v obvodu instalace vyvolává pokles napětí, který je vždy ve fázi s proudem a proto vyústí ve ztrátu činného výkonu, ať už je proud činný, jalový nebo harmonický. Ukázková měření Zářivky jsou jediným běžně používaným zařízením, ve kterém se používá nejúčinnější forma kompenzace a to uvnitř svítidla. Jedná se o nejúčinnější způsob, protože vodiči v instalaci tečou pouze činné proudy, jalová složka je kompenzována uvnitř zařízení. Pokud použijeme centrálně instalované jednotky, kombinace kompenzátoru jalového výkonu s filtrem harmonických vyřeší několik problémů najednou, při použití jednoho zařízení. Výhodou centrálně instalované jednotky s vhodným ovládáním je možnost nainstalovat ji s menší celkovou kompenzační kapacitou, než jaká by byla nutná pro lokální kompenzaci jednotlivých zařízení, a to z toho důvodu, že ne všechna zařízení pracují současně. Snižuje také riziko překompenzovaných motorů. Použití kombinovaného, filtračně-kompenzačního zařízení, odstraňuje riziko resonance a zajišťuje oslabení harmonických, které spadají do rozsahu filtru. Obrázek 2 -Jalový výkon na základní frekvenci 4

7 Riziko že během filtrace dojde k přitažení "znečištění" z napájecí sítě není tak velké jak se obecně předpokládá. Přinejmenším v případech kdy je provozovna napájena vlastním distribučním transformátorem. Pokles napětí v transformátoru, popsaném napětím nakrátko, je z větší části induktivní. Proto má transformátor se 4% napětím nakrátko poměrnou reaktanci téměř 12% při 150 Hz a blízko 20% při 250 Hz. Pokud sousední provozovny také používají vlastní transformátory, jejich vzájemná impedance se opět zdvojnásobí. Nicméně, impedance mezi transformátorem a harmonickými se velmi liší v závislosti na: zapojení transformátoru, tzn. jeli přítomno nějaké vinutí zapojené do do trojúhelníka nebo ne Jsou-li zmiňované harmonické 3-n (řád dělitelný třemi) nebo jiného řádu. Obrázek 3 - Jalový výkon Tato témata jsou zmíněna v Části 3.1 tohoto Průvodce a v dalších materiálech [1]. Následující série jednofázových měření nám ukáží, jak mohou filtrační obvody efektivně a levně zmírnit problémy způsobované harmonickými. Jako model jednofázového testu použijeme například dvě tlumivky pro 58 W zářivky. Odpor jejich vinutí je 13,8 Ω a indukčnost 878 mh. Jejich zapojením do série s kondenzátory, jeden s kapacitou 1,3 µf a druhý s kapacitou 0,46 µf, získáme filtrační obvod s resonančními frekvencemi 150 Hz a 250 Hz. Pokud obvod připojíme k hlavnímu vedení v bytové zástavbě v sobotu v noci, během fotbalového zápasu, kdy jsou zapnuty všechny televize, několik kompaktních svítidel a elektrické trouby jsou vypnuté, napětí může mít celkové harmonické zkreslení (THD) okolo 4,7%. Toto zkreslení se skládá převážně z páté harmonické přispívající okolo 10 V, ostatní jsou zanedbatelné. Třetí harmonická, která sice dominuje vstupním proudům televizorů a podobných zařízení, má malý vliv na napájení, dokud jsou zátěže z větší části souměrné (to zajistí delta vinutí na transformátorech). Toto není případ jednofázového napájení, nebo případ kdy je zatížena jen jedna fáze. Nicméně v běžném systému se symetrickými nelineárními zátěžemi se toho moc ve 150 Hz filtru neděje. Ale ve 250 Hz filtru lze naměřit proud ~ 75 ma na 250 Hz. To je dvojnásobek proudu při 50 Hz, dokonce i když na filtr při 50 Hz připojíme napětí asi 230 V a jen asi 10 V při 250 Hz. Toto zdůrazňuje základní filtrovací schopnost této metody. Nemá však žádný měřitelný efekt na napájecím napětí, protože jmenovité hodnoty filtru (670 ma, něco okolo 180 var) jsou příliš nízké a odpor jeho vinutí příliš velký, než aby vyfiltroval síť zatíženou zhruba 400 kva. K demonstraci všech možností by musel model filtru filtrovat síť přiměřeného rozsahu, ideálně s velkými zkresleními, které musí být potlačeny. Toto lze zajistit v případě, kdy se v síti nachází fázově řízený regulátor, řídící adekvátní zátěž. Příkladem může být stmívání 200 W žárovky na 100 W. Regulátor isoluje, do určité míry, zátěž od hlavního vedení a tak poskytuje požadovanou "isolovanou" síť. Protože kontrolovaná zátěž je čistě odporová, mají logicky, napětí na žárovce a proud procházející žárovkou stejné velké zkreslení, kvantitativně i kvalitativně. Lze toto potlačit použitím zmíněných filtrů? Odpověď je ano (Obrázek 4). Připojení dvou filtračních obvodů paralelně k zátěži sníží THD napětí i proudu na zátěži z ~ 61 % na ~ 37 %. V mnoha případech je toto zlepšení dostatečné k přechodu od rušeného systému k fungujícímu. Nikdo s výjimkou měřících laboratoří nepotřebuje absolutně čistý sinusový průběh. Výsledky také ukazují, že 150 Hz filtrační obvod již nepracuje naprázdno a v žádném případě není nadbytečný. Spíše přispívá k největší části vylepšení. Jeho proud je nyní 395 ma při 150 Hz (navíc 22 ma při 150 Hz lehce pomáhá druhému filtračnímu obvodu). Proud při 250 Hz v 250 Hz filtru je roven 184 ma, což je stále významná hodnota, která je ale nižší než 150 Hz proud. Toto je typické pro jednofázovou zátěž, fungující více či méně isolovaně od hlavního vedení. 5

8 Jak může být výkon vylepšen? Pochopitelně můžeme přidat 350 Hz filtr, to ale nezasahuje jádro problému. Navzdory přítomnosti filtrů třetí a páté harmonické, třetí (34 V) i pátá (26 V) stále přesahují podíl sedmé (Obrázek 4), dokonce i když chybí 350 Hz filtr. Zdá se, že filtry v testu mají problém s kvalitou. Obrázek 4 - Napětí a proud 200 W žárovky ztlumené na 100 W, bez a s filtračními obvody pro třetí a pátou harmonickou Hodnota 13,8 Ω činného odporu je skutečně vysoká. Pokud by 150 Hz impedance přijímacího obvodu třetí harmonické byla nulová, jak by tomu bylo v ideálním případě, 150 Hz napětí by také muselo být nulové. Ve skutečném případě však máme napětí 34 V vyvolávající proud 395 ma ve 150 Hz filtru a napětí 26 V vyvolávající 184 ma proud ve 250 Hz filtru. Obě znamenají mnohem více než 13,8 Ω. Musí zde proto být podstatně více ztrát způsobených vířivými proudy a hysterezí vlivem špatné kvality oceli. Změny induktance (změna s proudem, nekonstantní induktance, atd.) komplikují precisní vyladění na cílovou frekvenci. To ukazuje, jak je důležité vybírat kvalitní komponenty, zejména s ohledem na tlumivku, protože způsobují nejvíce ztrát a nepřesností. Všechny ztráty způsobené odporem/vířivými proudy/hysterezí ústí v nepřesné vyladění filtru. Je proto velmi důležité vybrat vysoce kvalitní komponenty, namísto použití snadno dostupných tlumivek, které jsou sice levné, ale byly konstruovány k jinému účelu, kdy ztráty, tolerance a nestálost jmenovitých hodnot nehrají takovou roli. Pasivní filtrování je jednou s nelevnějších metod boje s harmonickými. Zahrnuje pouze menší úpravy na kompensátoru jalového výkonu, takže další šetření se může v důsledku ukázat velmi drahé. Centrální nebo rozptýlené Další otázka doprovázející výběr správného modelu je zapojení do hvězdy nebo do trojúhelníku. Kompensační kondenzátory jsou obvykle zapojeny do trojúhelníku. U pasivních filtrů by toto zapojení bylo efektivní jen z části, protože převládající množství harmonických v kancelářském prostředí (třetí harmonická) vzniká v jednofázových zařízeních a tečou mezi fází a středním vodičem. Existují také přechodná řešení s kondenzátory zapojenými od trojúhelníku, ale s rozladěnými reaktory navrženými jako třífázové reaktory zapojené do hvězdy. Váš dodavatel by měl být schopen vám poradit ten nejlepší návrh pro váš systém Jak již bylo řečeno, filtry propouštějí = 45A harmonický proud, čímž zabraňují jeho toku zpět ke zdroji. Je nutno si 0.86 ale zapamatovat, že harmonické proudy stále tečou uvnitř instalace. Ve skutečnosti vyvolávají zvýšení skutečné efektivní hodnoty (TRMS) proudu mezi zdrojem harmonických a filtrem, protože smyčková impedance se snížila. Všechna měření uvnitř instalace nutná pro zvládnutí harmonických proudů jsou stále nezbytná. Při použití filtru je suma proudů zátěže a filtru (tzn. ty jež musí být dodány) nižší než samostatný proud zátěže bez filtru, ale samotný proud zátěže bude větší než by byl v nepřítomnosti jakéhokoliv filtru v okolí. Z tohoto úhlu pohledu je rozptýlené filtrování efektivnějším řešením (protože zvýšené proudy tečou menšími smyčkami), ačkoliv je i dražším. 6

9 Za žádných okolností nemůže být přítomnost jakéhokoliv filtrovacího vybavení použita jako záminka pro návrat ke starým praktikám TN-C vedení, dříve používaných v některých zemích, nebo k instalaci poddimenzovaných středních vodičů (informace o dimenzování středních vodičů jsou uvedeny v Části tohoto Průvodce). Ve vedeních sytému TN-C je možné, aby proudy středního vodiče včetně harmonických tekly ve vnějších vodivých částech. Nevýhody systému TN-C, z pohledu EMC, jsou plně popsány v Části 6 tohoto Průvodce. Decentralizaci je nutno provést s rozvahou. Uvažujme dva filtrační obvody pro pátou harmonickou. Nemohou být zcela identické vhledem k tolerancím u komponent a rozdílům v provozních teplotách. Takže ze dvou filtrů se stanovenou resonanční frekvencí 250 Hz může ve skutečnosti jeden rezonovat při 248 Hz a druhý při 252 Hz. Při 250 Hz se první z nich jeví jako kapacitní a druhý jako induktivní a společně tvoří přibližnou nebo dokonce perfektní zádrž, což je pravý opak zamýšleného efektu. Navíc bude mezi filtry cirkulovat proud s frekvencí 250 Hz, který je může oba přetížit, stejně jako vedení instalace (Obrázek 5). V jiném případě může jeden z filtrů rezonovat přesně při 250 Hz a druhý řekněme při 254 Hz. Pak větší množství zkreslení připadne na první z nich a může dojít k jeho přetížení, zatímco druhý běží naprázdno. Bohužel je tento efekt tím výraznější, čím vyšší je činitel jakosti obvodu. Vyšší činitel jakosti filtračního/zádržného obvodu konec konců neznamená nic jiného než strmější vzestup/pokles impedance během přibližování se k resonanční frekvenci. Proto musí být mezi filtry jistá impedance, aby byly do určité míry isolovány a nejevily se zcela paralelní. To naznačuje, že široký rozptyl velkého počtu malých filtrů není příliš praktický, a že tak jako vždy v inženýrství, je nutno hledat vyvážené řešení. Udržování poměru L/C Pro každou frekvenci existuje nekonečné množství LC párů se stejnou resonanční frekvencí. Hodnota kondenzátoru určuje dostupnou kompenzaci jalového výkonu (která samozřejmě nemůže být nulová). Tím je ponecháno harmonické chování na tlumivce. Jakmile si jednou vyberete, je to již natrvalo. Toto může být nevýhodou pasivních filtrů. Například, 150 Hz a 250 Hz model filtrů zmiňovaný dříve generuje 50 Hz proudy o 100 ma a 37 ma. To je poměrně málo v porovnání s naměřenými harmonickými proudy a to vlivem vysoké hodnoty L a nízké hodny C zvolené během návrhu filtru. Jedním z řešení je seskupit filtry do malých skupin a zapínat je individuálně tak, aby pokryly potřebné kompenzace jalového výkonu, jak je tomu u řízených kompenzátorů. Zjevně dojde se zvýšením kapacity kondenzátoru ke zvýšení filtrační kapacity, což může být ale žádoucí, protože harmonický proud bude redukován také při nižší zátěži. Obrázek 5 - Co může způsobit nekontrolovaná resonance Obrázek 6 - Kombinace filtrů Mělo by se také zvážit, zda má dojít k vypnutí filtrů harmonických, kdy není nutno tolik kompenzovat (jak navrhuje Obrázek 6). Přestože se nejedná o perfektní řešení, s finančního hlediska je velmi efektivní. Pasivní filtr, o němž zde mluvíme, není nic jiného než upravený návrh nebo vhodně vybraná kompensace, která je stejně potřeba. U této metody je však nutné se ujistit, že vypnutí probíhá shora dolů (na Obrázku 6 zprava 7

10 doleva ) jak je popsáno v Části tohoto Průvodce. Jinak může jeden z filtračních obvodů pro vyšší frekvence resonovat s induktivním síťovým prvkem při jedné z nižších harmonických. Nefiltrujte pryč signály na akustických frekvencích (HDO)! Některé energetické společnosti využívají akustické frekvence (HDO) k ovládání uličního osvětlení, nočního vytápění skladů, a pro další systémy pro řízení zátěže v jejich systémech. Je nutno dát pozor, aby nedošlo ke zkratování těchto systémů a tím k jejich nefunkčnosti. Čím blíže je akustická frekvence k resonanční frekvenci filtračního obvodu, tím nižší je impedance tohoto obvodu při frekvenci signálu HDO. Když je instalace napájena z vyhrazeného transformátoru, připojovací induktance může být dostatečně vysoká, aby zajistila nenarušení signálních frekvencí. Obrázek 7 - Kombinace filtrů se zádrží pro zabránění ztrátám signálů na zvukových frekvencích (HDO) Jinak může být nutné instalovat paralelní LC zádržný filtr - vyladěný na í frekvence HDO, jak je znázorněno na Obrázku 7 (u energetické společnosti, která používá signály HDO na 183,3 Hz, 13/3 základní frekvence). Závěr Potlačení dominantních harmonických společně s kompenzací základního jalového výkonu vyžadují jen velmi málo úsilí a prostředků, navíc se kompenzace stejně provádí a většina dnešních kompenzátorů již zahrnuje hradící reaktory. V takovýchto systémech se v řadě případů přechází na naladění na resonanční frekvence. Větší prospěch lze získat při návrhu s ohledem na resonanci - harmonické proudy jsou efektivněji redukovány a riziko přetížení kompenzátoru není tak vysoké, jak se obecně předpokládá. Je však nutno instalovat jistou reservu. To nepředstavuje problém, neboť přínosem je lepší filtrační efekt a lepší energetická účinnost při velmi nízkých dodatečných nákladech. Harmonické proudy způsobují distribuční síti větší problémy než jalové proudy a dá se tedy předpokládat, že dojde k zavedení poplatků za harmonické zkreslení, stejně tak jako za jalový výkon na základní frekvenci - nemá smysl žádat poplatky za základní jalový výkon a současně je nevyžadovat za harmonické. Neexistuje případ kdy by instalace filtrů, s výjimkou filtrů instalovaných se zátěží nebo dokonce uvnitř zátěže, mohla být použita jako přesvědčivý argument pro selhání při dimenzování středních vodičů nebo špatného započítaní vlivu harmonických při výběru kabeláže a dalšího vybavení. Je životně důležité udržovat nízkou impedanci systému, a to obzvláště v případech kdy jsou instalovány filtry. Jinak mohou být účinky filtrů nepříznivé! Použitá literatura [1] Fender, Manfred: Vergleichende Untersuchungen der Netzrückwirkungen von Umrichtern mit Zwischenkreis bei Beachtung realer industrieller Anschluss-Strukturen, Wiesbaden

11

12 Neutral Sizing in Harmonic Rich Installations HUNGARIAN COPPER PROMOTION CENTRE Hungarian Copper Promotion Centre Képíró u. 9 H Budapest Maìarsko Tel.: Tel.: hcpc@euroweb.hu Website: V B-TU Ostrava Fakulta elektrotechniky a informatiky Katedra elektroenergetiky 17. listopadu 15 CZ Ostrava-Poruba Tel.: Tel.: pavel.santarius@vsb.cz 12 Website: homen.vsb.cz/san50/ European Copper Institute 168 Avenue de Tervueren B Brussels Belgium Tel.: Fax: eci@eurocopper.org Website: