LINKOVÉ KONDICIONÉRY A JEJICH UŽITÍ

LINKOVÉ KONDICIONÉRY A JEJICH UŽITÍ Ing. Vladimír Korenc, Ing. Zdeněk Matoušek, Ing. Ctibor Petrů, CSc. Power e-mail: vladimir.korenc@elcom.cz Linkový kondicionér patří do skupiny produktů vylepšujících kvalitu elektrické energie z programu Power quality, který zavedla firma ELCOM, a.s. pro rok 2000. Je určen zejména pro vyrovnávání úbytků napětí na vedeních a to hlavně v rozvodných sítích nízkého napětí. Využívá moderní výkonové polovodičové techniky s inteligentními tranzistorovými moduly IGBT. Rychlé řízení linkového kondicionéru také umožňují eliminovat negativní vlivy v napájecích sítích jako jsou flikr, popř. harmonické. Článek popisuje princip, typy a možnosti kondicionérů. V závěru jsou uvedeny i výsledky praktického měření napájeni v odlehlé oblasti a několik pohledů na skutečný linkový kondicionér. 1. ÚVOD Název kondicionér, původně francouzské slovo je užíván z anglo-americké praxi a literatuře a znamená zařízení, které upravuje či přizpůsobuje jisté veličiny standardním nebo žádoucím podmínkám a požadavkům. Známe jej spíše v souvislosti s úpravou teploty a vlhkosti ovzduší. Linkový kondicionér je zařízení pracující na principu sériové kompenzace změn síťového napětí pomocí sériově zapojených transformátorů napájených měničem s pulsně šířkovou modulací. Zařízení pracuje jako výkonový stabilizátor napětí pro veřejný rozvod elektřiny v širokém rozpětí vstupního napětí, s nezávislým stabilizačním efektem jednotlivých fází výstupu, rychlým účinkem a vyrovnáváním krátkodobých poklesů. Kondicionér zpracovává jen část výkonu nezbytně nutného k doplnění deficitu vzniklého úbytky na vedení nebo ke zklidnění odběru. Název kondicionér se pravidelně doplňuje přívlastkem linkový. Název vystihuje nejčastější užití jako koncové zařízení na výběžcích rozvodných sítí, vyznačujících se delšími vedeními linkami s nadprůměrnou impedancí. 2. VYLEPŠENÍ KVALITY ELEKTRICKÉ ENERGIE Většina předpisů a norem [1], [2], které se týkají kvality elektrické energie [9] definuje následující parametry: Odchylky od jmenovitého napětí Přerušení a výrazné poklesy napětí Cyklické kolísání napětí (flikr) Symetrii třífázové soustavy Obsah harmonických kmitočtů Úroveň signálních kmitočtů (HDO) Kondicionér je zařízení, které může zajistit základní parametry kvality elektrické energie a to eliminací některých rušivých vlivů v napájecí síti. Každý druh a provedení kondiciačního zařízení postihuje shora uvedené parametry svým specifickým způsobem. Čím jsou lépe zaručeny tím je zařízení složitější, dražší a náročnější a ve veřejném rozvodu elektřiny méně uplatnitelné. quality Pro linkové kondicionéry jsou požadovány minimálně tyto konkrétní hodnoty: vyrovnání poklesu vstupního napětí až do 20 % (výjimečně až do 30 %) udržování napětí na výstupu v mezích 5 %

rychlost působení co nejvyšší o zpoždění méně než 0,1 s - pomalá regulace - stabilizátor napětí o zpoždění méně než 0,01 s - rychlá regulace - odstraní flikr 3. PRINCIP KONDICIONÉRU Na obr. 1 je znázorněno základní schéma připojení kondicionéru do sítě. I 1 U 1 T S U 2 U 0 Z 1 G I 2 GK Z 2 I 3 obr. 1 Schéma připojení linkového kondicionéru G síťový zdroj (např. transformační stanice) GK linkový kondicionér (měničová část) I 1 proud do zátěže I 2 proud do měniče kondicionéru I 3 proud do primáru TS (I3 = I1 / p) U 0 - napětí síťového zdroje U 1 - napětí na vstupu kondicionéru U 2 - napětí na výstupu kondicionéru (U2 = U0) T S - seriový transformátor kondicionéru Z 1 impedance vedení (linky) Z 2 impedance zátěže Při úvahách o velikosti úbytků a kolísání napětí se vždy předpokládá, že u zdroje energie tj. na přípojném bodě vn nebo na začátku vedení nn jsou parametry napětí (U 0 ) vyhovující a nedostatky (poklesy napětí atd.) jsou vyvolány činností spotřebičů. Úbytky napětí jsou tvořeny jak známo úbytky na impedanci Z 1, tedy přesněji na odporu vedení R V a reaktanci vedení X V. Přitom protékající proud vykazuje dle charakteru Z 2 složku činnou I R a složku reaktivní I X, většinou induktivního charakteru. S jistým zjednodušením jsme oprávněni psát pro celkový úbytek: U = ( I R + I X ) + ( I X + I R ) 2 R V X 2 V R V X V Z klasické teorie sítí i některých současných měření lze stručně soudit, že odběrný proud uvažovaných měkkých sítí nn má dvě složky o základní, pomalu proměnnou, převážně činného charakteru o přechodnou, rychle se měnící, převážně induktivního charakteru Charakter vedení nn může být rozličný, venkovní i kabelová vedení mají průřez od 35 do 75 mm 2 a odpovídající odpor vodiče činí 0,3 až 1,5 Ω. Reaktance venkovních vedení nn je málo závislá na průřezu a činí přibližně 0,3 Ω. Při přibližně symetrickém zatížení vedení se uplatňují jen úbytky krajních vodičů, úbytek na nezatíženém středním vodiči (PEN) není významný. Při výrazně nesymetrickém zatížení fází se uplatňuje i přibližně stejně velký úbytek na středním vodiči. Při stejném proudu je tedy pokles napětí až dvojnásobný. Při vhodném rozvržení spotřebitelů a zapojení jednotlivých spotřebičů lze udržet symetrii odběru a tím i přijatelné úbytky pro základní složku odběru. Rychle proměnná složka (rozběhy elektromotorů, rychlovarné konvice, mikrovlnné trouby atd.) podléhá více náhodným fluktuacím a sumacím, takže symetrického odběru prakticky nelze dosáhnout. Úbytky na středním vodiči mají obecně libovolnou fázi. ELCOM, a.s. 26.3.2000 9:05 2

Vhodná ilustrace poměrů je znázorněna na obr. 2. Je zde graficky zpracována závislost fázového napětí na okamžitém odběrném proudu v typickém místě uvažovaném pro instalaci kondicionéru. K výrazné přímkové závislosti odvoditelné také výpočtem se přičítá rozptyl způsobený proměnlivým účiníkem zátěže a nerovnoměrností proudu ostatních fázových vodičů. Závislost napětí na proudu ve výběžku sítě 250,00 230,00 Napětí [V] 210,00 190,00 170,00 150,00 0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00 30,00 Proud [A] obr. 2 Závislost poklesu napětí na proudu zátěže (v místě předpokládané instalace kondicionéru) Opakují-li se změny napětí víceméně pravidelně byť v relativně malých mezích, zvyšuje se ve spojitosti s běžným elektrickým osvětlením (žárovky) citlivost odběratelů na toto subjektivně vnímané kolísání (blikání - flikr). V takových případech se příznivě uplatňuje co nejvyšší rychlost působení regulace kondicionéru. Maximální citlivost lidského oka je udávána v rozsahu kmitočtu fluktuací 1 až 10 Hz. Cílem regulace výstupního napětí kondicionéru je dosáhnout vyšrafované oblasti v obr. 2. Horní a dolní meze normami povoleného kolísání efektivní hodnoty napětí jsou vyznačeny čárkovanými čarami. Režim kondicionéru, jak již bylo uvedeno je pak možno rozdělit do dvou způsobů řízení: a) klasická regulace na požadovanou efektivní hodnotu napětí v každé periodě se zpožděním tak, aby nedošlo ke přídavnému blikání, b) rychlá regulace na referenční sinusovku v každém okamžiku, tedy v podstatě sériový aktivní filtr. Tato regulace umožňuje i odstranění deformačního výkonu, resp. eliminaci harmonických napětí. Druhý způsob regulace je značně náročnější a předpokládá využití signálového procesoru a zvláštního matematického nástroje. Při druhém typu regulace je nutno matematicky vyloučit užitečné signály HDO, tak aby nebyly ovlivněny činností kondicionéru. 4. VYUŽITÍ MĚNIČŮ S PULZNĚ - ŠÍŘKOVOU MODULACÍ Pulzně-šířková modulace (PWM) je dnes běžný způsob regulace toku elektrické energie pomocí rychlého zapínání obvodů výkonnými tranzistory IGBT [6]. Na tomto principu pracují téměř všechny nové měniče pro pohony, napájecí zdroje (UPS) a jiné průmyslové spotřebiče. Kondicionéry jsou založeny na principu zpracování jen části výkonu nezbytně nutného k doplnění deficitu vzniklého úbytky na vedení nebo ke zklidnění odběru. Obecné blokové schéma je naznačeno na obr. 3 ELCOM, a.s. 26.3.2000 9:05 3

obr. 3 Obecné blokové schéma linkového kondicionéru Vedení s předpokládanou měkkou charakteristikou končí na vstupu do kondicionéru. Mezi vstupní a výstupní svorky je vřazeno sekundární vinutí přídavného sériového transformátoru. Primární vinutí je napájeno z měničové soustavy. Blokové schéma celé soustavy je dle obr. 3 tvořeno: vstupním ochranným obvodem a RFI filtrem usměrňovačem akumulační kondenzátorovou baterií tranzistorovým střídačem PWM výstupním ochranným obvodem, který má tyto funkce: a) zamezení pronikání spínacího kmitočtu PWM do výstupu kondicionéru b) odrušení v oblasti vysokofrekvenčních sdělovacích pásem c) likvidace nebezpečných přepětí zkratování primárních vinutí sériových transformátů T S v případě poruchových stavů zařízení libovolného původu nebo zkratu na vedení. řídícím subsystémem tvořeným mikroprocesorovou jednotkou při oživení nebo nastavování parametrů se k systému připojuje terminál TERM401 5. TYPY KONDICIONÉRŮ Dle požadavku na výkon a komplexnost funkce kondicionéru může struktura popsaných bloků vykazovat jisté odlišnosti zahrnuté v tab. 1. Jedná se vlastně o tři typy nebo tři vývojové etapy řešení kondicionérů pro energetiku. Ve většině případů se zřejmě všeobecně uplatní nejjednodušší a nejlevnější typ A. Dokonalejší typy B a C mohou přicházet v úvahu pro výkony nad 100 kva, popř. v jiných systémech nežli jsou aplikace pro energetiku. Tyto typy kondicionérů je možno použít např. pro zabezpečení kvality napájení částí průmyslových sítí, velkých budov atd. ELCOM, a.s. 26.3.2000 9:05 4

Typ Charakteristika kondicionéru Vstupní měnič Výstupní měnič A Restituce efektivní hodnoty fázových napětí pouze zvyšování napětí B Úplná restituce napětí (amplituda, fáze), kompenzace účiníku a harmonických zvyšování i snižování efektivní hodnoty napětí C Úplná restituce všech napětí (včetně nulové složky), symetrizace sítě, kompenzace účiníku a zkreslení, zvyšování i snižování efektivní hodnoty napětí Diodový (6-puls.) usměrňovač s tlumivkovým vstupem, případně s nabíjecím obvodem Třífázový měnič PWM (aktiv. filtr se zvýšeným výkonem) a vstupním i výstupním pasivním filtračním obvodem Čtyřdílný měnič PWM se zvýšeným výkonem a vstupními i výstupními filtračními obvody Třífázový měnič PWM s nezávislým řízením fází Třídílný měnič PWM se samostatným a nezávislým řízením výstupních napětí Čtyřdílný měnič PWM s nezávislým řízením všech výstupních napětí tab. 1 Porovnání tří typů linkových kondicionérů 6. MOŽNOSTI KONDICIONÉRU Kondicionér není zdrojem energie a proto vyrovnání výstupního napětí má své fyzikální meze. Pokles napětí -30 % lze považovat, nehledě na vysoké ztráty s tím spojené, za mez principu sériové kompenzace úbytků ve vedení. Ten totiž předpokládá, že výkon potřebný v sériovém obvodu viz. obr. 3 (Střídač PWM + sériový transformátor) je nutno odebrat z paralelního obvodu (Vstupní obvod + usměrňovač) a tím se dále prohloubí pokles napětí v přípojném bodě. Nejvyšší výkon, který lze z vedení viz. obr. 1 o impedanci Z 1 odebrat spotřebičem o impedanci Z 2 vychází v případě, že Z 1 = Z 2. Tomu odpovídá pokles napětí na 50 %. K témuž stavu dochází také při snaze o kondicionování přirozených úbytků nad 30 % a což vede v důsledku ke zhroucení systému. 7. VYUŽITÍ TECHNOLOGIE KONDICIONÉRŮ PRO ENERGETIKU Protože v ČR existuje řada výběžků sítí nn, které také nezaručují dodávku elektřiny v jakosti dle nových norem a požadavků a případná jejich rekonstrukce se jeví časově i finančně zatím nemožná byla pro tyto účely připravena první řada linkových kondicionérů. V připojené tab. 2 jsou sestaveny základní technické specifikace linkových kondicionérů řady EAFS 018 až EAFS 072. Typové označení EAFS018 EAFS036 EAFS072 1. Průchozí výkon S N kva 18 36 72 2. Výkon měniče S M kva 3,6 7,2 14,4 3. Jmenovité napětí U n V 3 x 230 / 400 4. Jmenovitá frekvence f Hz 50 5. Kolísání vstupního napětí u vst % (V) +10 (253), 20 (184) 6. Kolísání výstupního napětí u výst % +10 (253), 5 (218) 7. Výstupní proud I 2 A 26 52 104 8. Vstupní proud maximální I 1max A 32 63 125 9. Proud měniče I M A 6 11 20 10. Přetížitelnost 1h % 10 11. Přetížitelnost 1min % 30 12. Přetížitelnost 1s % 100 13. Ss. napětí meziobvodu max. U max V 594 14. Ss. napětí meziobvodu min. U min V 430 15. Účinnost η % > 95 16. Převod vazebního transformátoru p 6 ELCOM, a.s. 26.3.2000 9:05 5

17. Jištění obvodu měniče A 10 gr 16 gr 25gR 18. Doporučené předřazené jištění A 50 gg 80 gg 160gG 19. Přiřazené jištění A 32 gg 63 gg 125gG 20. Zkratový proud sítě I k ka max. 1,5 tab. 2 Základní technické specifikace linkových kondicionérů Při ceně zařízení v opakovaná výrobě je výhodná aplikace kondicionéru proti přestavbě vedení, kde ve většině případů nestačí pouhé posílení stávajícího vedení nn a bylo by nutno provést rozsáhlejší rekonstrukcí celé sítě. Výkon linkového kondicionéru je uveden jako výkon průchozí, vlastní výkon měniče je menší a je asi 20% výkonu průchozího viz tab. 2. Například linkový kondicionér o výkonu 36 kva má výkon měniče 7,2 kva. Vzhledem k tomu, že měniče pracují s účinností vyšší než-li 95 % pak ztrátový výkon měniče je asi 300W. Linkový kondicionér tedy reguluje efektivní hodnotu napětí v každé následující periodě, symetrizuje, odstraňuje efekt blikání (flikr). V provedení velice rychlém (aktivní sériový filtr), pak umožňuje odstranit deformační výkon (vyhladit křivku napětí) resp. odstranit určité harmonické. Dále umožňuje vylepšit bilanci výkonů činného a jalového. V praxi pro použití v distribučních sítích plně vyhovuje regulace na požadovanou efektivní hodnotu výstupního napětí popř. v provedení s možností eliminace flikru. Samotný měnič s filtračními a pomocnými obvody je umístěn v oceloplechové skříni řady SVS IZK (Energetické strojírny Brno) se zvýšeným krytím IP54 bez vývodních komínků a s větrací mřížkou (krytí IP54). Skříň se upevňuje bokem na sloup a je podepřená standardní konzolou užívanou pro skříně typu SVS IZK. Vstupní a výstupní kabel bude zaústěn dnem skříně přes vývodky. obr. 4 Linkový kondicionér EAFS072 - výstupní část a výstupní část ELCOM, a.s. 26.3.2000 9:05 6

obr. 5 Linkový kondicionér EAFS072 - napájecí, řídicí a měničová část obr. 6 Montáž linkového kondicionéru EAFS036 8. VÝSLEDKY MĚŘENÍ Při nasazení kondicionéru do praktického užití bylo provedeno základní měření před a po nasazení kondicionéru. Na obr. 7 je znázorněn průběh efektivní hodnoty napětí ve všech třech fázích v bodě distribuční sítě, která napájí odlehlou oblast. Z průběhu napětí, které je zde znázorněno po dobu několika dnů je zřejmé, že kolísání napětí je veliké a v mnoha případech dosahuje hodnot pod normou povolené meze. Po zapojení linkového kondicionéru do napájecí sítě došlo k výraznému vylepšení kvality elektrické energie. Na obr. 8 je znázorněn průběh napětí ve stejném místě po zapnutí kondicionéru. Rozdíl v kvalitě napájení je zřejmý. Jistou nevýhodou tohoto typu kondicionéru je, že neumí regulovat napětí dolů. Předpokládá se však, že použití kondicionéru bude právě v místech kde dochází spíš k podpětí než k nadpětí. ELCOM, a.s. 26.3.2000 9:05 7

250 Napětí na konci vedení bez kondicionéru 240 230 Napětí (V) 220 210 200 190 U 1 U 2 U 3 Umin Umax Un 180 0:06:21 23:43:39 23:20:57 22:58:15 22:35:34 čas obr. 7 Průběh efektivní hodnoty napětí před aplikací kondicionéru 250 Napětí na konci vedení po zapnutí kondicionéru 240 230 Napětí (V) 220 210 200 190 U 1 U 2 U 3 Umin Umax Un 180 0:03:38 23:59:52 23:56:06 23:52:20 čas obr. 8 Průběh efektivní hodnoty napětí po zapnutí kondicionéru 9. LITERATURA [1] EN 50 160 Charakteristiky napětí elektrické energie dodávané z veřejné distribuční sítě [2] ČSN EN 61000-x-y Soubor norem elektromagnetické kompatibility [3] ČSN EN 50 081 Emise rušení [4] Technický popis Linkové kondicionéry typy EAFS 018, 036, 072, ELCOM a.s., 2000 [5] Voltec Ltd. Firemní literatura ELCOM, a.s. 26.3.2000 9:05 8

[6] Petrů, Aktivní filtry pro energetiku, Elektro 11 (1996) str. 342 [7] Bůbela, Korenc, Paralelní aktivní filtry, Elektro 11 (1998) [8] Korenc, Bůbela, Aktivní filtry tuzemské výroby, Sborník XXVI. Konference o elektrických pohonech, Plzeň 1999 [9] Korenc, Holoubek, Kompenzátory jalového výkonu v praxi, IN-EL, 1999 [10] Korenc, Bůbela, Petrů, Linkové kondicionéry tuzemské výroby v distribučních sítích nn, Sborník konference CIRED, 1999 ELCOM, a.s. 26.3.2000 9:05 9