POLITECHNIKA  RADOMSKA

im.  K. Pułaskiego

PRACE NAUKOWE                                                        ELEKTRYKA NR 1(6) 2003

harmonicznE PRĄDU wytwarzanE przez prostowniki wejściowe przemienników częstotliwości

Jerzy SZYMAŃSKI

Politechnika Radomska,  Wydział Transportu

ul. Malczewskego 29, 26–600 Radom,
tel: (048) 3617764,  e–mail: j.szymanski@pr.radom.pl

1. WSTĘP

Przekształtniki energoelektroniczne są obecnie ważnym źródłem zaburzeń przewodowych ponieważ pobierany przez nie z sieci zasilania prąd nie jest sinusoidalny i jego wyższe harmoniczne przenoszą dużą część mocy pobieranej z sieci zasilania. Wyższe harmoniczne niskich rzędów są przyczyną dużych strat energetycznych [1,3]. Minimalizowanie prądów harmonicznych staje się problemem wielu prac badawczych w różnych ośrodkach całego świata. Przyjmowane są coraz bardziej restrykcyjne normy zmuszające tak producentów jak i użytkowników do ograniczania zaburzeń wprowadzanych do sieci energetycznej. W opracowaniu autor starał się w sposób spójny przedstawić funkcjonujące definicje wynikające z obowiązujących unormowań prawnych i technicznych. Przedstawiono wyniki analizy komputerowej opisującej wielkość zaburzeń wprowadzanych do sieci zasilania na podstawie danych o przekształtniku napędowym i sieci zasilania.

Dla określenia poziomu zniekształceń napięciowych konieczna jest wiedza o poziomie zniekształceń prądowych i zwarciowej impedancji układu. Nie jest możliwe określenie zniekształceń napięciowych jedynie na podstawie znajomości parametrów napędu. Zniekształcenia napięciowe charakteryzują parametry układu zasilania. Zniekształcenia prądowe charakteryzują indywidualne cechy urządzenia. Ze względu na różny sposób oddziaływania harmonicznych prądu i napięcia na sieć zasilania należy je analizować niezależnie. Na rys. 1 przedstawiono wpływ nieliniowego odbiornika energii występowanie zaburzeń napięcia w sieci zasilania.

2. HARMONICZE PRADU I NAPIĘCIA W SIECI ZASILANIA - DEFINICJE, DYREKTYWY I NORMY

Dla przedstawienia dopuszczalnych poziomów zawartości harmonicznych w przebiegach napięć lub prądów wprowadzono pojęcie współczynnika THD (ang. Total Harmonic Distortion), tj. całkowitej zawartości harmonicznych. Jest on odpowiednio definiowany dla zawartości harmonicznych napięcia i prądu:

gdzie: Uk (lub Ik) jest kolejną harmoniczną przebiegu podstawowego U1 (lub I1), a N - liczbą uwzględnianych harmonicznych.

Rys. 1. Odbiornik nieliniowy jako źródło zniekształceń harmonicznych prądu powoduje
zniekształcenia napięcia w sieci zasilania [4]

Współczynnik TDD (ang. Total Demand Distortion) wyraża procentowy udział zniekształceń w maksymalnym prądzie obciążenia – zwykle odnoszony do 15 lub 30 minut zapotrzebowania mocy. TDD jest wielkością wiążącą własności układu zasilania z wartością prądu obciążenia IL.

W standardzie wg American Institute of Electrical and Electronic Engineers, IEEE- 519-1992, na którym będą opierać się przyszłe normy techniczne do budowy urządzeń energoelektronicznych, przedstawiono dopuszczalne poziomy odkształceń prądu pobieranego przez odbiorniki. Wymagania te dotyczą wartości kolejnych harmonicznych do rzędu 11. Dopuszczalna wartość współczynnika harmonicznych prądu THDi jest uzależniona od wielkości mocy zwarciowej układu zasilania.

Dla wygodniejszego określania poziomu zniekształceń napięciowych definiuje się stałą harmonicznych prądu odbiornika nieliniowego- Hc, która wiąże występujące w sieci zasilania harmoniczne prądu z harmonicznymi napięcia, zależnie od prądu nominalnego odbiornika i impedancji zwarciowej sieci zasilania:

z równania (3) wynika, że:

W tab.1.podano wartości stałej harmonicznych prądu Hc dla różnych obwodów wejściowych przemienników częstotliwości

Tab.1. Wartość stałej harmonicznych HC dla typowych
obwodów prostowniczych przemienników częstotliwości

W tab.2 podano dopuszczalne poziomy zawartości harmonicznych nieparzystych prądu dla nieliniowych obciążeń w sieciach TN współpracujących z innymi obciążeniami i napięciach 120V-69kV wg standardu IEEE-519

Tab. 2. Dopuszczalne poziomy zawartości
harmonicznych nieparzystych prądu wg IEEE-519

Standard ten określa też wrażliwość urządzeń elektrycznych stosowanych publicznie na zakłócenia harmoniczne oraz dopuszczalny poziom zniekształceń harmonicznych napięcia w sieci. IEEE-519 zawiera różne limity dla różnych typów obiektów budowanych, tab.3. Sieci przemysłowe mają dużo mniej surowe przepisy niż np. budynki mieszkalne i biurowe. Dlatego napędy z przemiennikiem częstotliwości nie zawsze muszą posiadać filtry harmonicznych prądu.

Tab.3. Ogólne standardy dla zakłóceń harmonicznych napięcia wg IEEE-519

W rzeczywistych układach odbiorników nieliniowych wymagania stawiane wg IEEE-519 na THDi nie da się spełnić bez stosowania filtrów aktywnych lub innych kosztownych układów kompensacji mocy odkształconej, powoduje to znaczny wzrost kosztów budowy instalacji zasilania.

Podane wymagania, dotyczące jakości energii elektrycznej są pierwszymi próbami regulacji prawnych. Należy przypuszczać, że konieczne będą dalsze międzynarodowe ustalenia i ujednolicenia wymagań, gdyż odbiorniki nieliniowe stają się coraz bardziej znaczącą częścią wszystkich obciążeń. Generowane przez nie zakłócenia są postrzegane jako istotny czynnik wpływający na zawodność wielu wrażliwych odbiorników elektronicznych, tab.4 [2].

Tab.4. Dopuszczalne wartości współczynnika THDu wg różnych norm