VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ

Transkript

1 VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A KOMUNIKAČNÍCH TECHNOLOGIÍ ÚSTAV ELEKTROENERGETIKY FACULTY OF ELECTRICAL ENGINEERING AND COMMUNICATION DEPARTMENT OF ELECTRICAL POWER ENGINEERING KOMPENZACE ÚČINÍKU A POSOUZENÍ ZPĚTNÝCH VLIVŮ INDUKČNÍHO OHŘEVU DIPLOMOVÁ PRÁCE MASTER S THESIS AUTOR PRÁCE AUTHOR MAREK VÝVODA BRNO 0

2

3 Bibliografická citace práce: VÝVODA, M. Kompenzace účiníku a posouzení zpětných vlivů indukčního ohřevu. Diplomová práce. Brno: Ústav elektroenergetiky FEKT VUT v Brně, 0, 8 stran. Vedoucí diplomové práce doc. Ing. Jiří Drápela Ph.D. Prohlašuji, že jsem svou diplomovou práci vypracoval samostatně a použil jsem pouze podklady (literaturu, projekty, SW atd.) uvedené v přiloženém seznamu. Na tomto místě bych chtěl poděkovat doc. Drápelovi za ochotu, cenné rady a poskytnuté materiály pro řešení této diplomové práce.

4 VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií Ústav elektroenergetiky Diplomová práce Kompenzace účiníku a posouzení zpětných vlivů indukčního ohřevu Marek Vývoda vedoucí: doc. Ing. Jiří Drápela, Ph.D. Ústav elektroenergetiky, FEKT VUT v Brně, 0 Brno

5 BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY Faculty of Electrical Engineering and Communication Department of Electrical Power Engineering Master s Thesis Power factor correction and lowfrequency conducted disturbances assessment of an industrial induction heating system by Marek Vývoda Supervisor: doc. Ing. Jiří Drápela, Ph.D. Brno University of Technology, 0 Brno

6 Abstrakt 6 ABSTRAKT Diplomová práce se zabývá návrhem hrazeného kompenzačního zařízení pro zlepšení účiníku odběru středofrekvenčního indukčního ohřevu a posouzení vlivu kompenzace, v harmonicky zkresleném prostředí, z pohledu distribuční sítě vysokého napětí. V teoreticky zaměřených kapitolách jsou popsány hlavní charakteristiky kvality elektrické energie a také základní teorie kompenzace jalového výkonu, který je v tomto případě způsoben řízenými nelineárními prvky. Dále následuje popis napájecího bloku ohřevu a simulace odběru v prostředí Matlab - Simulink, na které je ověřen účinek kompenzačních stupňů. Po realizaci kompenzačních rozváděčů jsou provedeny měření a zjištěná data srovnána ze simulacemi. KLÍČOVÁ SLOVA: indukční ohřev; kompenzace jalového výkon; celkové harmonické zkreslení; usměrňovač;

7 Abstract 7 ABSTRACT This Diploma thesis deals with design of for power factor correction device for midfrequency-range induction heating and also with assessment of correction device influence in harmonically distorted environment from the distribution net point of view. Research chapters contain of main characteristics of electrical power quality and theoretical background of reactive power, which is in our case caused by driven non-linear elements. Further, the heating power supply block is explained and simulations of power consumption in Matlab - Simulink is done, within the prove of corrective tools design. After the build of corrective tool assemblies, measurements are matched with the simulation results. KEY WORDS: induction heating system; power factor correction; total harmonic distortion; converter;

8 Obsah 8 OBSAH SEZNAM OBRÁZKŮ...0 SEZNAM TABULEK...3 SEZNAM SYMBOLŮ A ZKRATEK...4 ÚVOD...5 CHARAKTERISTIKA SOUČASNÉHO STAVU ŘEŠENÉ PROBLEMATIKY CÍLE PRÁCE HLAVNÍ CHARAKTERISTIKY KVALITY ELEKTŘINY KMITOČET SÍTĚ VELIKOST NAPÁJECÍHO NAPĚTÍ ODCHYLKY NAPÁJECÍHO NAPĚTÍ RYCHLÉ ZMĚNY NAPĚTÍ FLIKR POKLESY NAPÁJECÍHO NAPĚTÍ KRÁTKODOBÁ PŘERUŠENÍ NAPÁJECÍHO NAPĚTÍ DLOUHODOBÁ PŘERUŠENÍ NAPÁJECÍHO NAPĚTÍ PŘEPĚTÍ DOČASNÁ PŘEPĚTÍ O SÍŤOVÉM KMITOČTU MEZI ŽIVÝMI VODIČI A ZEMÍ PŘECHODNÁ PŘEPĚTÍ MEZI ŽIVÝMI VODIČI A ZEMÍ NESYMETRIE NAPÁJECÍHO NAPĚTÍ HARMONICKÁ NAPĚTÍ PŘÍČINY HARMONICKÝCH ÚČINKY HARMONICKÝCH LIMITNÍ HODNOTY OPATŘENÍ PRO SNÍŽENÍ HARMONICKÝCH MEZIHARMONICKÁ NAPĚTÍ KOMUTAČNÍ POKLESY KOMPENZACE JALOVÉHO VÝKONU CÍVKA A KONDENZÁTOR VE STŘÍDAVÝCH PROUDECH VÝKONY V LINEÁRNÍM PROSTŘEDÍ VÝKONY V NELINEÁRNÍM PROSTŘEDÍ JALOVÁ SLOŽKA V PŘÍKONU USMĚRŇOVAČE KOMPENZACE V NELINEÁRNÍM PROSTŘEDÍ POPIS KONKRÉTNÍHO NAPÁJECÍHO BLOKU SESTAVENÍ MODELU V PROSTŘEDÍ MATLAB-SIMULINK VSTUPNÍ PARAMETRY MODELU SESTAVENÍ MODELU...55

9 Obsah 9 8 NÁVRH KOMPENZAČNÍHO ZAŘÍZENÍ VÝPOČET JALOVÉHO VÝKONU SESTAVENÍ KOMPENZAČNÍCH STUPŇŮ OVĚŘENÍ FUNKCE KOMPENZAČNÍ JEDNOTKY MĚŘENÍM A POROVNÁNÍM SE SIMULACEMI OVĚŘENÍ FUNKCE SIMULACEMI OVĚŘENÍ FUNKCE MĚŘENÍM ANALÝZA VE FREKVENČNÍ OBLASTI VYCHÁZEJÍCÍ ZE SIMULACE ANALÝZA VE FREKVENČNÍ OBLASTI VYCHÁZEJÍCÍ Z NAMĚŘENÝCH HODNOT ZÁVĚR...79 PŘÍLOHA A - ČASOVÝ PRŮBĚH NAPĚTÍ A PROUDU PŘI SEPNUTÍ KOMEPNZACE...80 POUŽITÁ LITERATURA...8

10 Seznam obrázků 0 SEZNAM OBRÁZKŮ Obr. - Ložiskové kroužky []...6 Obr. 4- Diagram zatížení ke dni maxima v roce zdroj ČEPS a.s...9 Obr. 4- Náhradní schéma a FD úbytku napětí na vedení [8]...0 Obr. 4-3 Dovolené odchylky napájecího napětí dle PPDS []... Obr. 4-4 Rychlá změna napětí... Obr. 4-5 Změna světelného toku žárovky způsobená změnou napětí [6]... Obr. 4-6 Charakteristika vnímání flikru pro napěťové změny (60W žárovka)[6]...3 Obr. 4-7 Pokles napětí...4 Obr. 4-8 Četnost poklesů napětí v nn síti během jednoho roku [9]...4 Obr. 4-9 Pokles napětí a krátkodobé přerušení...5 Obr. 4-0 Připojení přepěťové ochrany[7]...6 Obr. 4- Připojení přepěťové ochrany[7]...6 Obr. 4- Šíření přepěťové vlny[0]...7 Obr. 4-3 Symetrická trojfázová soustava [8]...8 Obr. 4-4 Nesymetrická trojfázová soustava [8]...8 Obr. 4-5 Fázory souměrných složek [3]...9 Obr. 4-6 Souměrné složky symetrické a nevyvážené soustavy [8]...9 Obr. 4-7 Základní harmonická s třetí a pátou harmonickou [5]...30 Obr. 4-8 Napájecí soustava a nelineární spotřebič []...30 Obr. 4-9 Náhradní schéma nelineární zátěže [5]...3 Obr. 4-0 Deformovaný průběh základní harmonické [5]...3 Obr. 4- Průběh napětí postižený komutačními poklesy [3]...35 Obr. 5- Induktivní zátěž [4]...36 Obr. 5- Kapacitní zátěž [5]...37 Obr. 5-3 Okamžitý výkon a jeho kmitavá složka během jedné periody[4]...38 Obr. 5-4 Výkon čistě induktivní zátěže[3]...38 Obr. 5-5 Trojúhelník výkonů...39 Obr. 5-6 Vedení zatížené jedním odběrem s paralelní kompenzací []...40 Obr. 5-7 Kompenzace jalového výkonu []...4 Obr. 5-8 Zdánlivý výkon jako tělesová úhlopříčka [0]...4 Obr. 5-9 Vstupní a výstupní napětí 6p můstku [4]...4 Obr. 5-0 Časové průběhy napětí a proudu v síti pro různé řídící úhly [4]...43

11 Seznam obrázků Obr. 5- Kruhový diagram usměrňovače [4]...43 Obr. 5- Dynamická kompenzace [4]...44 Obr. 5-3 Sériová a paralelní rezonance []...45 Obr. 5-4 Schéma možných rezonancí [3]...45 Obr. 5-5 Závislost reaktance filtru na úhlovém kmitočtu a jednopólové schéma možného umístění filtru [4]...46 Obr. 6- Princip p můstku []...48 Obr. 6- Štítek usměrňovače...48 Obr. 6-3 Tyristorový střídač[5]...49 Obr. 6-4 Štítek střídače...49 Obr. 7- Využití Matlabu [5]...5 Obr. 7- Mapa Kyjova...5 Obr. 7-3 Funkční blok tyristorového můstku a jeho náhradní schéma [Nápověda Simulink]...55 Obr. 7-4 Základní podoba modelu...56 Obr. 7-5 Měření proudu na NN straně...57 Obr. 7-6 Měření činného a jalového výkonu...58 Obr. 7-7 Kompenzace pro ½ usměrňovače...59 Obr. 7-8 Řízení kompenzace a řídícího úhlu v modelu...59 Obr. 8- Měřené hodnoty proudu na NN straně...60 Obr. 8- Měřené hodnoty účiníku na NN straně...60 Obr. 8-3 Náhradní schéma jednoho stupně...64 Obr. 9- Zvýšení účiníku při sepnutí kompenzace...65 Obr. 9- Snížení odebíraného proudu při sepnutí kompenzace...66 Obr. 9-3 Odebíraný činný výkon...67 Obr. 9-4 Jalový výkon při sepnutí kompenzace...67 Obr. 9-5 Měření proudů...68 Obr. 9-6 Měření účiníků...69 Obr. 9-7 Měření činných výkonů...69 Obr. 9-8 Měření jalových výkonů...70 Obr. 9-9 Měření napětí...70 Obr. 9-0 Časový průběh proudu bez kompenzace,jeho amp. spektrum a THD...7 Obr. 9- Časový průběh proudu s kompenzací, jeho amp. spektrum a THD...7 Obr. 9- Časový průběh napětí bez kompenzace, jeho amp. spektrum a THD...73 Obr. 9-3 Časový průběh napětí s kompenzací, jeho amp. spektrum a THD...74

12 Seznam obrázků Obr. 9-4 Vyhodnocení komutačního poklesu...74 Obr. 9-5 Amplitudové spektrum proudu bez kompenzace...76 Obr. 9-6 Amplitudové spektrum proudu s kompenzací...76 Obr. 9-6 Průběh THDi při spínání kompenzace...77 Obr. 9-8 Amplitudové spektrum napětí bez kompenzace...78 Obr. 9-8 Amplitudové spektrum napětí s kompenzací...78

13 Seznam tabulek 3 SEZNAM TABULEK Tab. 4- Dovolené odchylky kmitočtu []...9 Tab. 4- Charakteristiky typických zdrojů harmonických [3]...3 Tab. 4-3 Limitní hodnoty harmonických napětí []...33 Tab. 7- Zkratový výkon Kyjov R0...5 Tab. 7- VN Tab. 7-3 Parametry vedení...53

14 Seznam symbolů a zkratek 4 SEZNAM SYMBOLŮ A ZKRATEK EMC PNE THD R L C Z PCC h elektromagnetická kompatibilita podniková norma elektroenergetiky činitel celkového harmonického zkreslení odpor indukčnost kapacita impedance předávací místo řád harmonické

15 Úvod 5 ÚVOD Elektroenergetika jako celek neřeší problematiku výroby, přenosu a distribuce elektrické energie pouze na úrovni výkonové bilance elektrizační soustavy, ale také klade důraz na lokální parametry dodávky elektřiny odběratelům. Kvalita elektrické energie je v poslední době aktuální téma rostoucího významu a to jak z hlediska technického, tak i ekonomického. Z technického pohledu je samozřejmě nutné zachování odpovídajících dodávek výkonu a dodržení elektromagnetické kompatibility. Ekonomický dopad je pak dán následky nevhodného technického řešení v podobě např. zvýšených ztrát, přerušení dodávky či sankcí za porušení smluvních dohod. Vzhledem k dnešnímu pohledu na elektřinu, jako na výrobek o určitých parametrech, je v zájmu všech distributorů dodržení daných kvalitativních limitů v normovaných mezích. Úroveň kvality elektrické energie ovšem nezávisí pouze na její výrobě či distribuci, ale také na spotřebě. S rostoucím využíváním nelineárních spotřebičů různých výkonů, na různých napěťových hladinách, vznikají ve stále vyšší míře zpětné vlivy, které negativně působí na charakteristiky napájecího napětí. Jenž je základním ukazatelem kvality elektřiny v daném předávacím místě. Mezi požadavky distributorů je rovněž snaha o co nejmenší přenášeny jalový výkon, způsobený odporově-indukčními zátěžemi a fázově řízenými usměrňovači. Jedním z prostředků pro udržení odběru jalového výkonu v požadovaných mezích je paralelní kompenzace. Kompenzace v různých podobách sama o sobě sice řeší následky, nikoliv příčiny vzniklých obtíží, ale je to víceméně technicky i ekonomicky přijatelné řešení pro mnohá úskalí v distribuci a užití elektrické energie. Při jejím návrhu je nutná znalost elektromagnetického prostředí, ve kterém má být umístěna. Kondenzátory jakožto základní stavební prvky kompenzace jsou poměrně citlivé na harmonické proudy a napětí způsobenými nelineárními spotřebiči, a v případě vysokého harmonické zkreslení by jejich účinek mohl působit spíše negativně. Hlavním zaměřením této práce je návrh kompenzačního zařízení pro udržení účiníku odběru středofrekvenčního indukčního ohřevu v distributorem stanovených mezích. Úvodní kapitoly této práce popisují hlavní charakteristiky kvality elektřiny a základní teorii vzniku a kompenzace jalového výkonu. Praktické části pak jsou pak zaměřeny na charakter kompenzovaného odběru, návrhem samotného kompenzačního zařízení a posouzení vlivu kompenzace z pohledu nadřazené soustavy.

16 Charakteristika současného stavu řešené problematiky 6 CHARAKTERISTIKA SOUČASNÉHO STAVU ŘEŠENÉ PROBLEMATIKY Zadavatel diplomové práce je společnost Kompel, do jejíchž oblasti působení spadá hlavně kompenzace účiníku, filtrace harmonických a kompatibilita silnoproudých zařízení. Zadání se týká návrhu a určení vlivu kompenzačního zařízení, umístěného v Kyjovských šroubárnách. Šroubárna Kyjov, spol. s r.o. jenž v září minulého roku oslavila šedesátiny, je dlouholetým tradičním výrobcem spojovacího materiálu technologií tváření za tepla. Výrobní program společnosti zahrnuje výrobky pro železnice, doly, stavebnictví, strojírenství a automobilový průmysl. Těžiště činnosti představuje výroba pražcových šroubů, konstrukčních šroubů, hákových šroubů, šroubů pro železniční svršek, matic, důlních třmenů a šroubů a součásti pro speciální použití jako jsou nýty, napínače, kotevní šrouby, izolátorové háky aj. Pro kování za tepla jsou používány speciální automatické kovací linky, které vyrábí z ocelového drátu nebo tyčí s využitím elektrického středofrekvenčního ohřevu. Z důvodu rozšíření spektra vyráběných dílů modernizuje firma výrobní technologii pořízením nové linky pro kování a žíhání výkovků ložiskových kroužků nejrůznějších velikostí a tvarů (Obr. -). Obr. - Ložiskové kroužky [6] V roce 008 tedy společnost modernizovala a rozšířila výrobu výkovků ložiskových kroužků za tepla převážně z oceli 00Cr6. K tomuto účelu bylo pořízeno nové strojní zařízení na zakázku od japonské společnosti Sakamura. Kovací teploty tyčí pro postupový lis Sakamura je dosaženo středofrekvenčním indukčním ohřevem, jehož dodavatelem je v tomto případě německý SMS Elotherm. Dodavatel indukčního ohřevu garantoval rozmezí účiníků odběru, jejíchž hodnota nevyžadovala instalaci kompenzačního zařízení pro omezení řídícího jalového výkonu. Po uvedení zařízení do provozu se však ukázalo, že garantovaných účiníků není zdaleka dosaženo. Za těchto okolností přichází na scénu společnost Kompel, jenž získala zakázku pro návrh a realizaci kompenzačních rozvaděčů udržujících velikost účiníku v požadovaných mezích ve všech provozních režimech ohřevu. Návrh kompenzace a s tím spojenými úskalí tak částečně přešli do zadání této diplomové práce.

17 Cíle práce 7 3 CÍLE PRÁCE Cíle této diplomové práce lze shrnout v následujících bodech :. Hlavní charakteristiky kvality elektřiny. Kompenzace jalového výkonu 3. Popis konkrétního napájecího bloku 4. Sestavení modelu v prostředí Matlab-Simulink 5. Návrh kompenzačního zařízení 6. Ověření funkce kompenzační jednotky měřením a porovnáním ze simulacemi

18 Hlavní charakteristiky kvality elektřiny 8 4 HLAVNÍ CHARAKTERISTIKY KVALITY ELEKTŘINY Výchozí parametr určující kvalitu elektrické energie je napětí. Posouzení charakteristik napětí jako je kmitočet, velikost, flikr, harmonické zkreslení, nesymetrie a následné statistické vyhodnocení zjištěných údajů podává informace o kvalitě elektrické energie v daném předávacím místě. Pro dodavatele elektřiny jsou charakteristiky napětí, a jejich meze či směrné hodnoty, uvedeny v ČSN EN Charakteristiky napětí elektrické energie dodávané z veřejných distribučních sítí (dále []). Následující podkapitoly popisují kvalitativní parametry v souladu z []. Nutno zmínit, že [] není normou pro kompatibilní úrovně, a neřeší tedy vliv samotného užití elektrické energie na její kvalitu. Dodavatelsko-odběratelské vztahy bývají proto doplněny limitními hodnotami příspěvku odběratele na míru kvality elektřiny v daném PCC. 4. Kmitočet sítě Střídavé napájecí napětí sítě se mění harmonicky v čase s určitým kmitočtem, jenž udává počet period první harmonické během sekundy. Jmenovitý kmitočet napájecího napětí v sítích ČR je 50 Hz. Velikost odchylek od jmenovité hodnoty kmitočtu v napájecí síti závisí na vzájemném působení generátorů a zatížením v síti. Odchylky jsou menší s rostoucím poměrem mezi výkonem generátorů a kolísáním zatížení. Udržení konstantní frekvence tedy vyžaduje dostatečný výkon výroby, který se přizpůsobuje odběru v reálném čase. Budící soustava tak společně s regulací turbíny řídí energetický blok. Budící soustavu tvoří zdroj regulovaného stejnosměrného proudu, který je dodáván do budícího vinutí synchronního generátoru a ovlivňuje tak velikost elektromotorického napětí a jalový výkon stroje. Regulace turbíny, resp. jejího výstupního momentu a otáček, pak řídí velikost činného výkonu a kmitočet. Riziko poruch klesá propojením více sítí do jedné soustavy, což má za následek zvýšení výkonu oproti změnám, které mohou ovlivnit nárůst nebo pokles kmitočtu. Naopak při určitých poruchových stavech, mohou být části soustavy odpojeny a provozovány jako ostrovní sítě. Za normálních provozních podmínek by mělo být možné udržet velikost odchylek v poměrně úzkém pásmu, jelikož je kmitočet celo systémový parametr elektrizační soustavy. Na jeho změny mají vliv především poruchy v přenosových soustavách. [] rozlišuje dva systémy připojení : - systém se synchronním připojením k propojenému systému - systém bez synchronního připojení k propojenému systému (tzv. ostrovní napájení) Dle [] platí pro systémy se synchronním připojením odchylka ±% (0,5 Hz) po dobu 99,5% roku, pro zbývají 0,5% roku jsou vymezeny odchylky větší s důvodů větších náhlých výpadků výroby elektrické energie. Pro ostrovní napájení je rozsah 50 Hz ±% ( Hz) po dobu 95% týdne. Zbývajících 5% má rozsah 50 Hz ± 5% (7,5 Hz). Širší rozsahy jsou u ostrovního napájení voleny s důvodů nižšího poměru mezi výrobou a spotřebou []. Pro přehlednost jsou odchylky kmitočtu pro jednotlivé systémy uvedeny v Tab. 4-.

19 Hlavní charakteristiky kvality elektřiny 9 Obr. 4- zobrazuje změny činného výkonu (modrá křivka) a kmitočtu (červená křivka) během jednoho dne (5..008). Obr. 4- Diagram zatížení ke dni maxima v roce 008 [ČEPS a.s.] Tab. 4- Dovolené odchylky kmitočtu [] Systémy se synchronním připojením k propojenému systému Jmenovitá frekvence 50 Hz Dovolené odchylky v % Minimální povolená hodnota v Hz Maximální povolená hodnota v Hz Limitující doba ±% 49,5 Hz 50,5 Hz 99,5% roku -6%,+4% 47 Hz 5 Hz 00% času Systémy bez synchronního připojeni k propojenému systému Jmenovitá frekvence 50 Hz Dovolené odchylky v % Minimální povolená hodnota v Hz Maximální povolená hodnota v Hz Limitující doba ±% 49 Hz 5 Hz 95% týdne ±5% 4,5 Hz 57,5 Hz 00% času

20 Hlavní charakteristiky kvality elektřiny 0 4. Velikost napájecího napětí Velikost napájecího napětí má pro úroveň VN odpovídat tzv. dohodnutému napětí (U c dohodnuté napětí mezi dodavatelem a odběratelem v předávacím místě []). Jeho hodnota souvisí se stanovením kontrolního bodu nadřazené rozvodny, nastavením odboček vn/vn/nn transformátoru a samozřejmě výkonovými potřebami odběratele. V soustavách nízkého napětí odpovídá dohodnuté napětí jmenovitému 400/30V. 4.3 Odchylky napájecího napětí Odchylky v síti jsou způsobeny nezávislým zapínáním a vypínáním mnoha spotřebičů. Jsou charakterizovány denními, týdenními a sezónními cykly. Zátěžný proud, který teče přívodním vedením ke spotřebiteli vyvolá úbytky napětí závisící na vzdálenosti spotřebitele, resp. impedanci sítě. Napětí je tedy lokálním parametrem elektrické sítě (narozdíl od kmitočtu). Úbytek napětí způsobený impedancí sítě U je rozdíl mezi jmenovitým (dohodnutým) napětím U n() a napětím v místě odběru U. Při určování úbytku napětí na vedení nn a vn lze zanedbat příčné admitance a velikost napětí v PCC lze určit z náhradního schématu a fázorového diagramu pro odporově-indukční charakter zatížení na Obr. 4-. Obr. 4- Náhradní schéma a FD úbytku napětí na vedení [8] Velikosti úbytků ve FD na Obr..4 jsou popsány vztahy U d = R I cosϕ + X I sinϕ 4. U q = X I cosϕ R I sinϕ 4. Odchylka δ způsobená rozdílem absolutních hodnot velikosti fázorů U a U+ Ud v předešlém FD je při uvážení prvních dvou členů Taylorova rozvoje dána vztahem.5. δ = ϕ I Celkový úbytek napětí je pak určen jako : ϕ U q = ( X I cos R sin ) 4.3 U = U d + δ = U d + U q 4.4 Kde : R a X je činná a reaktanční složka impedance sítě, I je odběrový proud (induktivního charakteru) a φ je fázový posuv napětí a proudu na konci vedení. V rovnicích.3-.6 je zanedbán vliv úbytků způsobených proudy harmonických.

21 Hlavní charakteristiky kvality elektřiny V [] jsou dovolené odchylky od jmenovité hodnoty napájecího napětí za normálních provozních podmínek s vyloučením přerušení napájení následující : - 95% průměrných efektivních hodnot během každého týdne musí být v rozsahu ±0%, při měřícím intervalu 0 minut. U n Grafické zobrazení rozsahů dovolených odchylek pro nízké napětí je na Obr.4-3. Obr. 4-3 Dovolené odchylky napájecího napětí dle PPDS [] Měření se provádí v 0ti minutových intervalech po poměrně dlouhé období, aby se omezilo působení okamžitých vlivů na měření (poruchy, spínání, atd.). Problémy následované odchylkami většími než je povolená tolerance, způsobují v případě přepětí zkracování doby životnosti spotřebitelských zařízení (např. žárovka) a stárnutí izolace. Poklesy napětí pak způsobují snížení výkonu a narušují jmenovité parametry zařízení uživatele, případně mohou narušit správnou funkčnost zařízení (např. ztráta dat v informačních technologiích) nebo jeho úplné vypnutí (např. elektromagnetické spínače). 4.4 Rychlé změny napětí Rychlá změna napětí, je snížení efektivní hodnoty napětí mezi dvěma ustálenými, po sobě následujícími stavy. Jsou způsobeny změnami zatížení nebo spínáním v síti. Za normálních provozních podmínek změny nepřesahují 5% jmenovitého nízkého napětí. Vyšší změny mohou nastat například na koncích dlouhých vedení, kde se vyskytnou až 0% úbytky jmenovitého nízkého napětí. 0% U n je tedy krajní hodnota pro změnu napětí, v případě, že nastane snížení napětí pod 90% napětí jmenovitého, jedná se o pokles napětí. U vn sítí je rozsah užší (4-6%), z důvodů přísnějších omezení pro připojení zatížení než u sítí nízkého napětí []. Na Obr. 4-4 je znázorněn průběh rychlé změny efektivní hodnoty napětí, čelo může být krátké, zatímco zotavení trvá řadu period napájecího napětí. Doba trvání t, závisí na specifických okolnostech jako impedance napájecí sítě či velikosti spouštěné zátěže.

22 Hlavní charakteristiky kvality elektřiny Obr. 4-4 Rychlá změna napětí 4.4. Flikr Elektrické světelné zdroje (např. žárovka), připojené na veřejnou distribuční síť vyžadují pro správnou funkci konstantní napětí. Odběratelé s proměnlivým výkonem však způsobují měnící se úbytky napětí. Rychlé periodické změny napětí, tzv. kolísání napětí, způsobují jev zvaný flikr. Flikr se projevuje změnou zrakového vnímaní, která ruší člověka při jeho činnosti. Vliv na zrakový vjem je vyvolán časovými změnami světelného toku, což je způsobeno právě rychlými změnami napětí, jak naznačuje Obr Obr. 4-5 Změna světelného toku žárovky způsobená změnou napětí [6] Spotřebiče a provozní stavy v napájecí síti způsobující flikr : - spínání velké zátěže - rozběh velkých motoru (obzvlášť periodicky opakovaný) - proměnlivá zátěž (řízený ohřev s velkým výkonem) - elektrické obloukové pece, svářečky Vliv flikru je obtížné objektivně změřit. Metoda měření flikru vychází z modelu simulující řetězec : napěťová změna světelný zdroj oko proces vnímání v lidském mozku. Napěťové změny mají dvě charakteristiky ovlivňující rušivý vliv flikru, a to v závislosti na amplitudě a frekvenci. Bylo zjištěno, že člověk je nejcitlivější na změny napětí o frekvenci 8,8Hz. Rušivé působení flikru se určuje pomocí flikrmetru Měřič blikání [5]. Obtěžování způsobené

23 Hlavní charakteristiky kvality elektřiny 3 flikrem je funkcí intenzity vnímání a trvání působení. Závažnost flikru se pak popisuje dvěma parametry : - krátkodobá míra flikru P st (měření po 0 minutách) - dlouhodobá míra flikru P lt (měření po 0 minutách) Limit je stanoven pouze pro dlouhodobou míru flikru, která se pro popis napájecího napětí považuje za důležitější. [] udává, že za normálních provozních podmínek musí byt po 95% času, v libovolném týdenním období, dlouhodobá míra vjemu flikru P lt. Dlouhodobá míra flikru je vypočítána z dvanácti hodnot krátkodobé míry flikru, tedy hodinový interval, za použití vztahu: 3 P 3 sti P = 4.5 lt i= Obr. 4.6 ukazuje práh vnímaní flikru v závislosti na velikosti úbytku napětí a četnosti napěťových změn. Pokud velikost a frekvence změn leží nad křivkou, je pravděpodobné rušení lidského pozorovatele, v případě změn pod křivkou nikoliv. Obr. 4-6 Charakteristika vnímání flikru pro napěťové změny (60W žárovka)[6] 4.5 Poklesy napájecího napětí Pokles napájecího napětí je definován jako náhlé snížení napájecího napětí pod hodnotu 90% jmenovitého (dohodnutého) napětí a následné vrácení na hodnotu větší, než 90% jmenovité efektivní hodnoty napětí během doby 0ms až 60s. Pokles napětí je považován za jednu událost bez ohledu na průběh či počet postižených fází. Pokud dojde k událostem v jednotlivých fázích ve stejném čase, pak se vícefázová událost považuje za událost jedinou. Nejnižší krajní hodnota poklesu napájecího napětí je % U N, tedy hloubka poklesu 99%. Tímto limitem [] rozlišuje pokles napájecího napětí od přerušení. Jinak by se mohla krátkodobá přerušení považovat za 00% pokles napětí. Krátkodobé poklesy bývají obecně způsobeny poruchami a spínáním v distribučních sítích, či v elektroinstalacích odběratelů, popř. změnou velikosti zkratového výkonu. Vzhledem k rozsahu sítí to jsou nepředvídatelné jevy s nepravidelnou četností výskytu. Při normálních provozních podmínkách může četnost krátkodobých poklesů dosáhnout až tisíce. To je však

24 Hlavní charakteristiky kvality elektřiny 4 ovlivněno typem rozvodné sítě a místem sledování. Většina vyskytujících se poklesů má hloubku poklesu menší než 60% a čas trvání do jedné sekundy. Méně časté jsou pak poklesy s větší hloubkou a dobou trvání [7]. Veličiny popisující pokles napájecího napětí : hloubka poklesu U [%] tvoří procentuální rozdíl mezi referenčním napětím a zbytkovým napětím, zbytkové napětí U [%] minimální hodnota napětí zaznamenaná během poklesu udávaná jako procentuální nebo poměrná hodnota referenčního napětí, trvání poklesu t [s] časový interval označující dobu trvání poklesu napětí od snížení pod prahovou hodnotu do okamžiku návratu na hodnotu prahovou, nebo vyšší, plus případné hysterézní napětí, což je okrajová hodnota prahového napětí používána pro měření. Dolní hranice trvání poklesu je 0ms z důvodu, že je to minimální doba, při které lze stanovit efektivní hodnotu. Horní hranice je 60s, což je doba dostatečně velká na zahrnutí účinků spínání a přepínání odboček transformátoru v napájené sítí. Na obr. 4-7 jsou znázorněny veličiny popisující zjednodušený tvar poklesu napětí. Obr. 4-7 Pokles napětí Obr. 4-8 znázorňuje četnost výskytů jednotlivých druhů poklesů napětí. Červeně jsou v grafu vyznačeny poklesy nepříznivě ovlivňující spolehlivost výpočetní a řídící techniky, dále je červeně označen výskyt krátkodobých přerušení. Obr. 4-8 Četnost poklesů napětí v nn síti během jednoho roku [9]

25 Hlavní charakteristiky kvality elektřiny Krátkodobá přerušení napájecího napětí Krátkodobé přerušení napětí následuje po vypnutí zkratu vypínačem. Konec přerušení nastává při připojení zdroje opět k síti, většinou provedeného automatikou opětovného zapnutí (OZ). Čas uplynulý mezi vypnutím a opětovným zapnutím závisí na místních podmínkách a může se pohybovat v rozsahu od 300ms do několika sekund či minut. V případě úspěšného opětovného zapnutí je zkrat eliminován a odběratelé jsou napájeni daným vedením, které je však poznamenáno poklesem napětí. Časové zpoždění mezi vypnutím a opětovným zapnutím je často označováno jako tzv. přestávka OZ, doba trvání může být od jejího minima (doba zapůsobení ochran a sepnutí vypínače) až do jedné minuty. V případě neúspěšného opětovného zapnutí zkrat stále přetrvává. V postiženém vedení pak nastává další pokles a vypínač zkrat znovu vypne. Pokud je vedení vybaveno vypínačem s několikanásobným opětovným zapnutím, následuje další přerušení a opětovné obnovení dodávky nebo konečné vypnutí vypínače v případě nadále trvající poruchy. Po konečném vypnutí je tedy odběratel vystaven dlouhodobému přerušení dodávky do doby odstranění poruchy nebo do zprovoznění náhradního napájení, pokud je k dispozici. V kabelových podzemních sítích se automatiky opětného zapnutí nepoužívají, je zde totiž malá pravděpodobnost, že porucha po vypnutí vypínače odezní samovolně. u [V] Obr. 4-9 Pokles napětí a krátkodobé přerušení Obrázek.9 znázorňuje průběh napětí, které bylo postiženo poklesem napětím po dobu dvou period a následné krátkodobé přerušení po dobu tří period. Jako krátkodobá přerušení napětí [] označuje přerušení s dobou trvání kratší než 3 minuty. Přibližně 70% krátkodobých přerušení nebývá větší než sekunda. Při normálních provozních podmínkách se vyskytují v desítkách až stovkách ročně. 4.7 Dlouhodobá přerušení napájecího napětí Dlouhodobá přerušení napájecího napětí nebo-li tzv. poruchová přerušení jsou obvykle způsobena vnějšími událostmi nebo vlivy, kterým odběratel nemůže předcházet. [] označuje poruchová přerušení, za přerušení delší než tři minuty. Pro četnost a doby trvání dlouhodobých přerušení není možné udat typické údaje. Je to z důvodů nepředvídatelných důsledků povětrnostních vlivů, či zásahu třetích osob. V případě dlouhodobého přerušení je tedy napájení přerušeno až do vymezení úseku s poruchou. Úsek vedení bude odpojen a izolován, aby t [ms]

26 Hlavní charakteristiky kvality elektřiny 6 byla možná kontrola a odstranění poruchy. Předem dohodnutá přerušení se do výsledné četnosti nezahrnují. 4.8 Přepětí Přepětí je napětí vyšší, než nejvyšší povolené provozní napětí. Přepětí v elektrizační soustavě vzniká v důsledku provozních manipulací a změn, provázených přechodovými ději (např. tzv. spínací přepětí), v důsledku rezonance nebo v důsledku vnějších příčin (atmosférická přepětí). Elektrická zařízení jsou obvykle konstruována tak, aby vydržela určitou úroveň přepětí po určitou dobu. Proti přepětí, které by mohlo zařízení poškodit, je nutno zařízení chránit vhodnou ochranou (bleskosvody, zemnící lana, ochranná jiskřiště, svodiče přepětí) [4]. Přepěťová ochrana je zařízení, které zamezuje nebo omezuje vznik přepětí a zneškodňuje jeho účinky. Působí, když napětí v elektrizační soustavě převyšuje předem dané hodnoty. Umístění přepěťové ochrany naznačuje Obr Obr. 4-0 Připojení přepěťové ochrany[7] 4.8. Dočasná přepětí o síťovém kmitočtu mezi živými vodiči a zemí Dočasná přepětí o síťovém kmitočtu se objevují během poruch ve veřejné distribuční síti nebo v instalaci odběratele. Přepětí mizí, jakmile je porucha odstraněna. Velikosti těchto přepětí závisí na způsobu uzemnění sítě v důsledku posunu uzlového bodu třífázové soustavy. Na Obr. 4- je znázorněn vznik přepětí způsobeného zemním spojením v izolované síti. Velikost dočasných přepětí všeobecně nepřekročí dvojnásobek dohodnutého napětí. Obr. 4- Připojení přepěťové ochrany[7]

27 Hlavní charakteristiky kvality elektřiny Přechodná přepětí mezi živými vodiči a zemí Přechodná přepětí mají různé charakteristiky. Třídíme je dle následujících parametrů : amplituda, četnost výskytu, doba trvání, hlavní složka frekvence přepětí, míra změny napětí, obsah energie. Dle příčin vzniku přepětí se značně mění energetický obsah. Indukovaná přepětí způsobená úderem blesku většinou mají větší amplitudu než přepětí způsobená spínáním. Energetický obsah je však u přepětí způsobeným spínáním větší, jelikož je doba trvání toho typu přepětí delší [7]. Doby čela přepětí se pohybují od milisekund až po mikrosekundy a méně[]. a) Dlouho trvající přepětí [7]: Dlouho trvající přepětí jsou označována jako přepětí s časem trvání delším než 00 µs. Příčinou způsobující tyto přepětí bývá působení pojistek či spínání kondenzátorů, kvůli kompenzaci účiníku (amplituda až 3 násobek max. U n ) nebo přenos přechodných přepětí z vn na nn stranu transformátorů elektromagnetickým obvodem. b) Středně dlouho trvající přepětí [7] : Přepětí trvající od µs do 00µs souvisící hlavně s činností blesku. - přímé údery blesku do vodičů - indukce od úderů blesku do blízkých vodičů - odporovou vazbou, spojenou s bleskovými proudy do země, které protékají společným uzemněním sítě - přenos rázů způsobených přímými údery blesku z vn na nn kapacitní vazbou - činnost vypínačů s velmi krátkou dobou hoření oblouku - činnost spínacích zařízení v instalaci odběratele Obr. 4- Šíření přepěťové vlny[0] Na Obr. 4- je znázorněno šíření přepěťové vlny po vedení způsobené zásahem blesku a její postupné tlumení svodiči přepětí. c) Krátce trvající přepětí Příčinou krátce trvajících přepětí je hlavně místní spínání malých indukčností a rychlé přechodné jevy způsobené spínáním v síti nn spínači se vzduchovou dráhou (relé, stykač).

28 Hlavní charakteristiky kvality elektřiny Nesymetrie napájecího napětí Nesymetrie zátěží v třífázové soustavě má obvykle za následek ztrátu symetrie vektorů fázového napětí. Trojfázový systém je symetrický tehdy, pokud trojfázová napětí a proudy mají stejnou amplitudu a jsou navzájem fázově posunuty o 0, jak znázorňuje fázorový diagram a časový průběh napětí na Obr V případě nesplněním jedné či obou z uvedených podmínek se systém stává nesymetrickým, viz. Obr.4-4. Obr. 4-3 Symetrická trojfázová soustava [8] Obr. 4-4 Nesymetrická trojfázová soustava [8] Nesymetrie napájecího napětí u u je přímo závislá na velikosti jednofázové zátěže, případně typu poruchy a impedanci napájecí sítě. Podstatou určení nesymetrie je transformace nesouměrné trojfázové soustavy do tří souměrných složek (fortescue), viz Obr Míra nesymetrie je definována zpětnou složkou U, vyjádřenou v poměrné hodnotě nebo v procentech složky sousledné U. Tzv. nesouměrnost je dána vztahem 4.6. Nevyváženost v podání poměru nulové a sousledné složky není dle [] limitována. V obou případech se jedná o podíl absolutních hodnot.

29 Hlavní charakteristiky kvality elektřiny 9 Obr. 4-5 Fázory souměrných složek [3] 00 = U U u u 4.6 Souměrné složky U 0, U, a U, jsou dány vztahem 4.7 resp Fázorové diagramy na Obr.4.6 zobrazují rozložení symetrických složek pro symetrickou soustavu a příklad nesymetrie. = C B A U U U a a a a U U U ˆ ˆ ˆ 3 ˆ ˆ ˆ ) ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ ( 3 ˆ ) ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ ( 3 ˆ ˆ ˆ ˆ ( 3 ˆ 0 C B A C B A C B A au U a U U U a au U U U U U U + + = + + = + + = 4.8 kde operátor natočení 3 ˆ, 3 ˆ j a j a = + =. Obr. 4-6 Souměrné složky symetrické a nevyvážené soustavy [8]

30 Hlavní charakteristiky kvality elektřiny 30 [] udává, že za normálních provozních podmínek musí být v libovolném týdenním období 95% desetiminutových střeních efektivních hodnot zpětné složky napájecího napětí v rozsahu 0% až % sousledné složky. V oblastech, kde jsou odběratelé částečně připojeni jedno či dvoufázově, se vyskytují v odběrných místech nesymetrie až do 3%. Pro zmírnění nesymetrie je nejdůležitější správné rozložení zátěží, tak aby se systém stal více symetrickým, a nízká vnitřní impedance sítě. Krátkodobý vliv nesymetrie není příliš důležitý. Závažnější je dlouhodobější působení, například z hlediska tepelných účinků na elektrické stroje. 4.0 Harmonická napětí Harmonické frekvence, ať už napětí nebo proudů, jsou celé násobky základního kmitočtu první harmonické (Obr..6), jejichž kmitočet v ČR činí 50Hz. Obr. 4-7 Základní harmonická s třetí a pátou harmonickou [5] 4.0. Příčiny harmonických Harmonické napájecího napětí jsou v největší míře způsobeny nelineárními zátěžemi odběratelů připojených na napájecí síť. Harmonické proudy tekoucí impedancí sítě způsobují úbytky napětí, jenž vedou k deformaci sinusového průběhu napájecího napětí v různých přípojných bodech - např. na Obr. 4.8 sběrnice před nelineární zátěží. Obr. 4-8 Napájecí soustava a nelineární spotřebič []

31 Hlavní charakteristiky kvality elektřiny 3 Pro popis nelineárního spotřebiče, jehož odebíraný proud není sinusový, z pohledu napájecí soustavy je možné využít metodu náhradních proudových zdrojů. Nelineární spotřebič je nahrazen lineární zátěží a proudovými zdroji charakteristických harmonických spotřebiče, jak naznačuje schéma na Obr Obr. 4-9 Náhradní schéma nelineární zátěže [5] Nelineární zátěže způsobující vyšší harmonické mohou být např. svítidla s elektronickým předřadníkem a svítidla řízená stmívačem, spotřebiče s nasytitelným železným jádrem, zařízení informačních technologií, mikrovlnné trouby, svářečky, střídače s proudovým a napěťovým meziobvodem. Charakteristické průběhy proudů pro nelineární spotřebiče jsou v Tab. 4-. Tab. 4- Charakteristiky typických zdrojů harmonických [3]

32 Hlavní charakteristiky kvality elektřiny 3 Nesinusový periodický signál může být charakterizován Fourierovou řadou. Kde je časový průběh periodické funkce vyjádřen jako součet "nekonečného" počtu kosinových a sinusových členů. Okamžitá hodnota takového signálu je dána pro proudy vztahem 4.9 a obdobně pro napětí 4.0. h i( t) = I 0 + I h sin( h ω t + ϕ h ) 4.9 h u( t) = U + U h sin( h ω t + ϕ h 0 ) Kde : I 0 a U 0 jsou stejnosměrné složky signálu, h je řád harmonické, I h a U h jsou efektivní hodnoty jednotlivých frekvenčních složek, ω = π f je úhlová rychlost, f je frekvence základní harmonické a ϕ h je fázový posuv h-té harmonické od první. Na Obr. 4.0 je příklad průběhu signálu, jehož časový průběh (černá křivka) je dán součtem třech sinusových funkcí v podání základní harmonické a jejích násobků. 4.0 Obr. 4-0 Deformovaný průběh základní harmonické [5] Míru harmonického zkreslení lze vyjádřit jako velikost amplitud jednotlivých harmonických v poměru k první harmonické. Graficky je toto promítnuto do amplitudového spektra, kde svislá osa udává zmíněnou poměrnou hodnotu a vodorovná řád harmonické. Fáze harmonických jsou pak prezentovány spektrem fázovým, kde svislá osa uvádí kladnou či zápornou velikost fázového úhlu a vodorovná osa řád harmonické. Další způsob určení velikosti harmonického zkreslení spočívá ve stanovení THD. Je to parametr charakterizující celkovou nelinearitu a nazývá se činitel harmonického zkreslení (Total Harmonic Distortion). Definuje se jako poměr součtu výkonů (efektivních hodnot) všech harmonických složek k výkonu základní harmonické a je dán následujícími vztahy 4. resp.4..

33 Hlavní charakteristiky kvality elektřiny 33 Pro proudy platí : THD I = 50 k = ( I I k ) 4. Pro napětí platí : THD U = 50 k = ( U ) U k Účinky harmonických Neblahý vliv harmonických proudů je zmíněn v následujících bodech : - přetěžování středního vodiče - přehřívání transformátorů - zvýšené ztráty na vedení - přetěžování kompenzačních kondenzátorů - rušení spínání vypínačů. Deformace napětí, způsobená harmonickými proudy, ovlivňuje ostatní připojené zátěže na daný PCC. Negativní vlivy harmonického zkreslení napětí jsou : - průtok neharmonického proudu v ostatních lineárních zátěžích - zvýšené zatížení motorů - ovlivnění funkce elektronických zařízení (např. komutační pokles způsobí další průchod nulou) - vysokofrekvenční rušení telekomunikačních vedení - přetěžování kompenzačních kondenzátorů Limitní hodnoty Normou [] je stanoveno, že za normálních podmínek musí být v libovolném týdenním období 95% desetiminutových středních hodnot každého jednotlivého harmonického napětí menší či rovno hodnotě uvedené v tabulce (Tab. 4-3). Dále celkový činitel zkreslení THD napájecího napětí musí být menší nebo rovný 8% (platí do dohodnutého 40tého řádu). Tab. 4-3 Limitní hodnoty harmonických napětí [] Liché harmonické Liché harmonické ne-násobky 3 násobky 3 Sudé harmonické Řád harmonické Harmonické napětí [%] Řád harmonické Harmonické napětí [%] Řád harmonické Harmonické napětí [%] ,5 4 3,5 5 0, , ,5 7

34 Hlavní charakteristiky kvality elektřiny 34 9,5 3,5 5, Opatření pro snížení harmonických Úroveň harmonických napětí je závislá jak na charakteru spotřeby, tak i na impedanci sítě. Pro omezení harmonických napětí je v zařízení uživatele nutné omezit harmonické proudy dodávané do sítě. Na straně distributora je pak důležitá redukce účinků proudů harmonických nízkou impedancí nadřazené soustavy. Opatření na straně spotřebitele : - využitím zařízení s nižším obsahem harmonických - sací obvody - aktivní kompenzace harmonických Opatření na straně distributora : - zvýšení zkratového výkonu napájecího bodu - posílení vedení, - větší transformátor, - vyšší napěťová úroveň. 4. Meziharmonická napětí Meziharmonické složky napětí jsou necelé násobky základního kmitočtu (první harmonické). Jejich význam v posledních letech vzrost využíváním měničů kmitočtu a jsou doprovázené i dalšími nelineárními zátěžemi. Zdroje meziharmonických: - Zátěže s hořením oblouku - Elektrické pohony s proměnným zatížením - Měniče kmitočtu - HDO Za normálních provozních podmínek musí být po dobu jednoho týdne 95% průměrných efektivních hodnot meziharmonických napětí menší 0,% napětí jmenovitého[]. Meziharmonické nižších řádů mohou způsobovat např. flikr či rušení v signálu hromadného dálkového ovládání. Dále mohou mít vliv na tepelné účinky, poruchy fungování zářivek a elektronických zařízení (různé průchody nulou). 4. Komutační poklesy Provoz usměrňovačů je doprovázen krátkodobými poklesy napětí sítě. Způsobují je zkraty mezi dvěma fázemi vzniklé při komutaci a trvají do úplného převzetí proudu dalšího tyristoru (diody). Komutační poklesy se ve frekvenční oblasti projeví jako široké pásmo frekvencí až do desítek khz. "Do kompatibilních úrovní napětí harmonických tak komutační poklesy spadají jen z malé části. Pro posouzení vlivu komutačních poklesu na síť má podstatně větší vypovídající schopnost jejich sledování v časové oblasti"[3].

35 Hlavní charakteristiky kvality elektřiny 35 Na Obr. 4- je teoretický průběh napětí u 6ti pulzního usměrňovače. Hloubka poklesů se zmenší předřazením síťové tlumivky, nicméně doba jejich trvání vzroste. Obr. 4- Průběh napětí postižený komutačními poklesy [3] Posouzení komutačních poklesů je nutné pouze u usměrňovačů řízených kmitočtem sítě. Komutační poklesy způsobují následující nepříznivé vlivy : - akustické rušení elektromagnetických prvků - přenos vyšších frekvencí přes síť do elektronických zařízení (reproduktory, monitory) - chybný údaj času u hodin, odvozujících čas od průchodu napětí sítě nulou. Mezní emisní hodnoty jsou vztaženy k relativní hloubce komutačního poklesu d kom. Ta je stanovena jako největší odchylka napětí U od okamžité hodnoty napětí základní harmonické, vztažená k amplitudě základní harmonické (vztah 4.3). U d Kom = 4.3 U Poměr ve vztahu 4.3 by neměl v nejnepříznivějším provozním stavu dle [3] překročit následující hodnoty : nn : d kom = 0,0 vn : d kom = 0,05.

36 Kompenzace jalového výkonu 36 5 KOMPENZACE JALOVÉHO VÝKONU Pro provoz některých zařízení na straně rozvodu nebo spotřeby elektrické energie je nutné vytvořit magnetické nebo elektrické pole. Z fyzikální podstaty se vytváří buď vinutími (indukčnost) nebo elektrodami (kapacita). Na indukčnosti (cívce) i kapacitě (kondenzátoru) dochází k fázovému posuvu proudu proti napětí. 5. Cívka a kondenzátor ve střídavých proudech Cívka zpočátku brání změnám protékajícího proudu. V případě připojení cívky na střídavý zdroj harmonického napětí, mají okamžité hodnoty napětí na cívce velikost dle: u L = U L sinωt 5. Kde U L je amplituda, ω je úhlová rychlost a t čas. Z Faradayova zákona elektromagnetické indukce můžeme vyjádřit napětí na cívce, ve které se mění proud s rychlostí di L /dt jako : Porovnáním vztahů 3. a 3. dostaneme : u dil dt L dil = L 5. dt U L = sinωt 5.3 L Integrací derivace proudu získáme velikost proudu procházejícího cívkou v závislosti na čase a záměnou funkce -cos na sin fázově posunutou platí : i L U L U L U L = dil = sin ω t = ( cos ωt) = (sin ωt + 90 ) 5.4 L ωl ωl Náhradou výrazu ωl zavedeme induktivní reaktanci X L = ωl, jejíchž jednotka je ohm. Induktivní reaktance je tedy přímo úměrná frekvenci napájecího napětí a proud je zpožděn jak naznačuje Obr. 5-. Obr. 5- Induktivní zátěž [4]

37 Kompenzace jalového výkonu 37 Na kondezátoru se objeví plný proud a teprve po nabití plné napětí. Harmonické napětí na kondenzátoru je : u C = UC sinωt 5.5 Z definice kapacity plyne velikost náboje : q = C uc = C UC sinωt 5.6 Proud jakožto množství náboje prošlého za jednotku času získáme derivací q a záměnou funkce cos na sin fázově posunutou : i C dq = = ω C U C cos ωt = ωc U C (sin ωt 90 ) 5.7 dt Náhradou výrazu /ωc zavedeme kapacitní reaktanci X L = /ωc, jejíchž jednotka je ohm. Kapacitní reaktance je nepřímo úměrná frekvenci a proud předbíhá napětí jak naznačuje Obr. 5-. Obr. 5- Kapacitní zátěž [5] Pozn.: Vztahy uvedené v kapitole 5. jsou převzaty z [9]. 5. Výkony v lineárním prostředí V obvodech střídavého proudu je velikost okamžitého výkonu závislá na čase. Pokud proud a napětí mají sinusový průběh o amplitudách U m, I m, úhlové frekvenci ω a fázovém posuvu mezi napětím a proudem φ, je okamžitá hodnota výkonu pak rovna : p( t) = u( t) i( t) = U m sin( ωt) Im sin( ωt ϕ) 5.8 Součinem dvou goniometrických funkcí sinus ve vztahu 5.8 pak dostaneme : U m Im p( t) = U m Im [ cos( ϕ ) cos(ωt ϕ) ] = [ cos( ϕ) + cos( ωt + ϕ] 5.9 Časově nezávislá část vztahu 5.9 se nazývá činný výkon, je spotřebovaný ve spotřebiči a je tedy dán následujícím vztahem :

38 Kompenzace jalového výkonu 38 U m I Uef I m ef P = cos( ϕ) = cos( ϕ) = U ef Ief cos( ϕ) 5.0 Kde U ef,i ef jsou efektivní hodnoty napětí a proudu. Časově závislá složka v 5.9 se nazývá kmitavá. Má dvojnásobnou frekvenci (ωt) a její střední hodnota je za periodu nulová (Obr. 5-3). V případě čistě činně zátěže není mezi napětím a proudem žádný fázový posuv a okamžité hodnoty výkonu jsou vždy kladné, jak je znázorněno na Obr Obr. 5-3 Okamžitý výkon a jeho kmitavá složka během jedné periody[4] V případě, že je fázový posuv nenulový (v obvodu jsou zařazeny kapacitní anebo induktivní prvky), je cos(φ) menší než jedna a činný výkon je tím také o něco menší. Při fázovém posuvu rovném ±π/ (čistě kapacitní nebo čistě indukční zátěž) je pak účiník roven nule a činný výkon je nulový. Celý výkon se vratně přenáší mezi zdrojem a spotřebičem tam a zpět a žádná energie tedy není během periody spotřebována. Na Obr. 5-4 je ukázán průběh přenášeného výkonu do čistě induktivní zátěže. Každou čtvrt periodu je výkon záporný (vrací se ze zátěže do zdroje) a střední hodnota výkonu za periodu je nulová. Obr. 5-4 Výkon čistě induktivní zátěže[3]

39 Kompenzace jalového výkonu 39 Perioda na Obr. 5-4 je rozdělena na čtyři části. V druhé a čtvrté části kmitá napětí i proud ve stejné části svislé osy, proto okamžitý výkon p(t) = u(t)i(t) bude kladný. V tomto okamžiku je ze zdroje přivedena do cívky energie na vytvoření jejího magnetického pole. V první a třetí části kmitá napětí a proud v opačných částech osy, a proto okamžitý výkon p(t) = u(t)i(t) bude záporný. V této době se vrací energie magnetického pole cívky zpět do zdroje, v obvodu se žádná energie nespotřebovává. Část výkonu, která se obvodem přelévá tam a zpět (a způsobuje v části periody zápornou hodnotu okamžitého výkonu), se označuje jako jalový výkon (Q). I když se jalový výkon ve spotřebiči neproměňuje, je potřeba ho po obvodu přenášet. Tímto způsobuje ztráty na přenosové cestě a přídavné úbytky napětí. Velikost jalového výkonu je rovna : Q = U ef Ief sin(ϕ) 5. Rozměr jalového výkonu stejný jako u činného výkonu, ale pro odlišení různého fyzikálního významu se používá jiná jednotka voltampér reaktanční, značený VAr. Podle toho, zda má zátěž indukční nebo kapacitní charakter a zda je tedy fázový posuv kladný nebo záporný, může i jalový výkon nabývat obou znamének: pokud se proud zpožďuje za napětím (indukční zátěž), je jalový výkon kladný, v opačném případě je záporný [4]. Celkový přenášeny výkon do např. odporově-induktivní zátěže se pak nazývá zdánlivý. Zdánlivý výkon lze definovat jako největší možný výkon při nulovém fázovém posuvu (cos(φ)=) a je dán vztahem : S = U ef I ef 5. Výkony lze také vyjádřit fázorově, kde je fázor zdánlivého výkonu (celkového proudu) rozložen do činné složky (rovnoběžná s fázorem napětí) a složky jalové (kolmé na fázor napětí). Výkony jsou pak zobrazeny trojúhelníkem výkonů v Obr Vztah mezi jednotlivými výkony : = P Q 5.3 S + Obr. 5-5 Trojúhelník výkonů Z vlastností pravoúhlého trojúhelníku je pak účiník dán poměrem činného a zdánlivého výkonu :

40 Kompenzace jalového výkonu 40 P cos ϕ = 5.4 S S větším fázovým posuvem je účiník nižší a tedy zdánlivý, resp. jalový výkon vyšší. Jalový výkon je možno rovněž určit z pravoúhlého trojúhelníku např. s použitím goniometrické funkce tangenc : Q = P tgϕ 5.4 Velikost jalového výkonu bude záviset na hodnotě induktivního resp. kapacitního odporu spotřebiče, který je charakterizován v jeho impedanci. Hojně využívané spotřebiče odporově induktivního charakteru (např. asynchronní motory, transformátory, indukční pece, zářivky) pracují při účiníku menším než jedna, čímž nepříznivě zatěžují napájecí soustavu. Z předchozího snažení je patrné, že činný výkon závisí pouze na činné složce proudu. Nicméně úbytek napětí a ztráty na vedení závisí jak na činné tak i jalové složce proudu. Komponenty výroby a rozvodu elektrické energie se tak musí dimenzovat na celkový proud zahrnující i jeho jalovou složku. Přidáním odpovídající kapacitní zátěže paralelně k odporověindukční se jalová složka a tím i celkový odebíraný proud sníží. Takže zatímco kapacitní prvek dodává svou akumulovanou energii zpět do sítě, indukční složka ji odebírá a naopak, protože předbíhající a zpožďující se proudy tečou v opačných směrech ve kterémkoliv časovém okamžiku. Tímto způsobem je celkový proud redukován přidáním zátěže. Toto se nazývá paralelní kompenzace [3]. Na Obr. 5-6 je fázorový diagram zahrnující vliv paralelní kompenzace na vedení zatížené jedním odběrem. Odebíraný proud a i úbytek napětí se vlivem kompenzace zmenší. Obr. 5-6 Vedení zatížené jedním odběrem s paralelní kompenzací []

41 Kompenzace jalového výkonu 4 Snížení celkového proudu se samozřejmě promítne i ve zdánlivém výkonu. Na Obr. 5-7 je patrné zmenšení zdánlivého, resp. induktivního jalového výkonu, po přidání kapacitní zátěže odebírající kapacitní jalový výkon o velikosti Q. Obr. 5-7 Kompenzace jalového výkonu [] 5.3 Výkony v nelineárním prostředí Průběh proudu odebíraného nelineárním spotřebičem není sinusový a má tvar dle charakteristických harmonických zátěže. Nahradíme-li proud jeho harmonickými a předpokládáme vysokou hodnotu zkratového výkonu při kterém je napětí čistě sinusové, tak druhá mocnina zdánlivého třífázového výkonu bude odpovídat vtahu : S = 3 U I = 3 U I + 3 U I 5.5 h= h Vyjádřením zdánlivého výkonu s rozdělením první harmonické proudu na činnou a jalovou složku přejde vztah 5.5 na : h= h S = 3 U I I h h= cos ϕ + 3 U I sin ϕ + 3 U 5.6 První dva součiny vztahu 3.5 tvoří činný (P ) a jalový výkon (Q ). Zbývající členy jsou označeny společným názvem jako deformační výkon D. Zdánlivý výkon lze pak zapsat jako : S = P Q D Grafické vyjádření vztahu 5.7 ukazuje Obr Kde je zdánlivý výkon vyjádřen jako tělesová úhlopříčka kvádru o hranách P,Q a D. Obr. 5-8 Zdánlivý výkon jako tělesová úhlopříčka [0]