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: [phone], e-mail: [e-mail]

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:

(1)

gdzie: U_k (lub I_k) 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 I_L.

(2)

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- H_c, która wiąże występujące w sieci zasilania harmoniczne prądu z harmonicznymi napięcia, zależnie od prądu nominalnego odbiornika i impedancji zwarciowej sieci zasilania:

(3)

z równania (3) wynika, że:

IFL- pełny prąd odciążenia przemiennika, ISC - prąd zwarciowy transformatora zasilania

HC - stała harmonicznych prądu

(4)

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

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

Rodzaj obwodu wejściowego	Wartość stałej HC
Prostownik 6-pulsowy	> 350
Prostownik 3F6D-plusowy z dławikiem ac lub dc	150-350
Prostownik 12 pulsowy	100-150

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

Izw/Iobc	<20	20...50	50...100	100...1000	>1000
THDi dla n<11	4%	7%	10%	12%	15%
TDDi	5%	8%	12%	15%	20%

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

Klasa zastosowania	THDu (%)
Zastosowanie wrażliwe: Lotniska, Szpitale Telekomunikacja	3%
Zastosowanie ogólne: Biura, Szkoły	5%
Zastosowanie lokalne Fabryki	10%

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

Dokument	THDu	Zawartość pojedynczej harmonicznej - (Un/U1)x100%
EN50160	8%	1,5...6%
IEEE st.519	5%	3%
Rozp. Min. Gosp. z dn. 00.09.25 (Dz.U.85.p.957)	8%	5%

Ogólnie można stwierdzić, że obecność wyższych harmonicznych prądu zasilania odbiorników nieliniowych jest przyczyną niekorzystnych zjawisk, między innymi: zakłóceń w pracy innych odbiorników, przegrzewania się transformatorów kabli siłowych i silników, przegrzewania się przewodu neutralnego lub neutralno-ochronnego (głównie w obwodach jednofazowych), zwiększonych strat w przesyłaniu energii. Harmoniczne napięcia sieci zasilającej powodują nieprawidłową pracę lub uszkodzenie innych odbiorników elektronicznych przyłączonych do tej sieci [3].

2. TRÓJFAZOWY PROSTOWNIK DIODOWY JAKO GENERATOR HARMONICZNYCH PRĄDU

Zawartość harmonicznych prądu wprowadzanych do sieci zasilania przez powszechnie stosowane prostowniki trójfazowe 3F6D można prześledzić na podstawie badań zilustrowanych na rys. 2.

Rys. 2. Badanie prostownika 3F6D jako generatora harmonicznych prądu: a - napięciowe przemienniki częstotliwości na stanowisku badań, b - przebieg prądu przewodowego na tle przebiegu napięcia fazowego

Analizę widma prądu wejściowego przemiennika napięciowego przeprowadzono przy jego nominalnym obciążeniu. Przy niedociążeniu przemiennika całkowita zawartość harmonicznych w prądzie zasilania wzrasta. Wyniki analizy przedstawiono na rys.3. Prostownik 3F6D obciążony napięciowo generuje harmoniczne nieparzyste niepodzielne przez 3.

a
b

Rys. 3. Analiza zawartości harmonicznych w prądzie zasilania przemiennika częstotliwości a - przebieg półokresu prądu zasilania, b - widmo harmonicznych prądu zasilania

Aby oszacować wpływ niedociążenia przemiennika częstotliwości lub jego przewymiarowania wyznaczono wartości współczynnika THDi, przy braku obciążenia i przy obciążeniu nominalnym. Wyniki pomiarów i obliczeń przedstawiono na rys.4.

a)

b)

Rys. 4.  Zawartość harmonicznych w prądzie zasilania przemiennika częstotliwości w funkcji obciążenia: a - przemiennik nieobciążony, b - przemiennik obciążony nominalnie.

3. WNIOSKI

Zawartość harmonicznych prądu wprowadzanych do sieci zasilania przez powszechnie stosowane prostowniki trójfazowe 3F6D można ograniczać poprzez dodanie odpowiednich dławików wejściowych typu AC lub DC. Wpływ tych dławików na skuteczność ograniczania harmonicznych prądu jest zbliżony co przedstawia rys 5.

Rys. 5.  Wpływ dławika AC i DC prostownika obciążonego pojemnościowo na zawartość harmonicznych prądu w sieci zasilania [4]

Stosowanie dławików wejściowych ma decydujące znaczenie dla ograniczenia zawartości harmonicznych prądu w sieci zasilania. Z rys. 5 wynika, że w instalacjach z przemiennikami częstotliwości zawierającymi prostowniki wejściowe 3F6D nie ma możliwości obniżenia wartości THDi poniżej ok. 38%, jeśli ich tłumienie harmonicznych dokonywane jest dławikami. Obecnie przemienniki napięciowe z prostownikiem 3F6D zasilane z sieci niskonapięciowej osiągają moce rzędu 1MW. Trzeba uwzględniać generowaną przez nie moc bierną wyższych harmonicznych przy określaniu mocy transformatorów, przekrojów kabli i wartości zabezpieczeń nadprądowych i zawarciowych. Uwzględniając THDi przemienników napięciowych na poziomie 40%, co zapewniają praktycznie wszyscy renomowani producenci poprzez dołączanie dławików AC lub DC o właściwej indukcyjności, należy dążyć do zapewnienia obciążenia transformatora zasilającego mocą bierną wyższych harmonicznych, nie powodującą zniekształcenia napięcia powyżej wartości określonej normami. Zwykle THDu < 3-5% (biura, szkoły, itp.) lub THDu <10% (przemysł) jeśli w miejscu dołączenia przemiennika nie ma innych wrażliwych odbiorników.

4. LITERATURA

[1] Szymański J.: Napędy przemysłowe z przekształtnikami napięciowymi o zmniejszonym negatywnym oddziaływaniu na środowisko i ulepszonej współpracy z silnikami prądu przemiennego. PR Radom, PNB Nr1949/01/P, 2003.

[2] Przybylski J., Szulc Z.: Określenie zawartości harmonicznych w napięciu i prądzie zasilającym zakłady przemysłowe. Napędy Przemysłowe NP'99.

[3] Mitew E., Szymański J.: Napięciowy przemiennik częstotliwości o ulepszonej współpracy z silnikiem. SENE'99.

[4] Hansen S., New Topologies for Connecting Power Electronic Converters to the Utility Grid. Danfoss Professor Programme in Power Electronics and Drives 1997-2000

HARMONICS CURRENT OF FREQUENCY CONVERTER RECTIFERS

This note examine one aspect of electrical noise generated by variable frequency drives, i.e. harmonic distortion of the AC power line. The most common types of drives in use today, a diode bridge rectifier is used to convert the AC power line into a fixed-voltage DC bus. The key to controlling harmonic distortion is limiting the current pulses. This is generally accomplished through the use of coils which may also be called reactors, inductors or chokes. If reactors are applied is possible reduce the Total Harmonic Current Distortion to 38%.

1

1

Zakłócenia przekazywane

do środowiska

Wzrost strat w układzie zasilania

Impedancja układu
moc zwarciowa

Zniekształcenia
napięcia (sieć zasil.)

Zniekształcenia
prądu (sieć zasil.)

Nieliniowe obciążenie (urządzenie)

a) Analiza harmonicznych prądu:
bez obciążenia

I₁ (skł. podst.) 38.57 A

THDi 104.52 %

I skuteczne 55.79 A

H_C 704 %

Harmoniczne:

5'ta 30.41 A

7'ma 23.64 A

11'ta 10.01 A

13'ta 5.07 A

b)Analiza harmonicznych prądu:
nominalne obciążenie

I₁ (skł. podst.) 36.22 A

THDi 42.51 %

I skuteczne 39.47 A

H_C 310 %

Harmoniczne:

5'ta 12.91 A

7'ma 7.03 A

11'ta 3.06 A

13'ta 2.10 A

---