Wykład

JAKO

ENERGII

dla studentów kierunku

TECHNOLOGIE ENERGETYKI ODNAWIALNEJ

dr in . Rafał Korupczy ski

Długotrwale dopuszcza si obni enie warto ci

Zbyt mała impedancja obci enia w stosunku do mocy ródła

Zbyt du y pobór mocy biernej

Sposoby przeciwdziałania:

Kompensacja mocy biernej

Zwi kszenie warto ci napi cia :

regulacja napi cia: transformator, autotransformator

Zwi kszenie przekroju przewodów:

obni enie rezystancji

Zmiana transformatorów na urz dzenia o wi kszej mocy

Urz dzenia do zmiany warto ci napi cia:

Transformator z regulowan przekładni (odczepy)

Autotransformator - j. w. (ni szy koszt)

Izolacja obci enia od ródła:

UPS

Stabilizator magnetyczny (ferrorezonans)

Zestaw silnik + pr dnica z kołem zamachowym

Kondensator (+ kompensacja mocy biernej)

Kompensator statyczny (szybka reakcja)

Kompensator synchroniczny

Regulacja przekładni transformatora:

Pod obci eniem

(wysoki koszt, du e moce)

Bez obci enia

(niski koszt, małe moce)

± 10% U

N

Proces powolny: 15 – 45 s

Elektroniczna zmiana przekładni transformatora

Bardzo szybka reakcja

Dla rednich mocy

Pojemno ciowa kompensacja spadków napi :

Szeregowa

Zale na od obci enia, samoczynna: U

C

= f(I)

Równoległa

Niezale na od obci enia

Kilka stopni, przeł cznik automatyczny

Kompensacja mocy biernej

Przepływ mocy biernej powoduje straty w przesyle mocy czynnej:

Q > 0

Moc bierna indukcyjna

Silniki indukcyjne : 70%

Transformatory: 20%

Linie i inne urz dzenia: 10%

Generuje spadek napi cia sieci

Q < 0

Moc bierna pojemno ciowa

Kondensatory

Generuje wzrost napi cia w sieci

Przepływ mocy biernej powoduje obni enie (spadek) napi cia linii przesyłowej:

Dobór baterii kondensatorów ( lub Y):

Statyczny kompensator mocy biernej

ródło mocy biernej

pojemno ciowej lub

indukcyjnej

Ł czniki elektroniczne

(tyrystory, triaki)

Mo liwa du a

cz sto ł cze

w ci gu doby

Filtracja harmonicznych

Mo liwe praca w stanach

dynamicznych

Kompensator synchroniczny

Silnik elektryczny

Trójfazowe uzwojeniu stojana

Uzwojenie wirnika (wzbudzenia) zasilane pr dem stałym

W zale no ci od warto ci pr du wzbudzenia silnik wytwarza moc pojemno ciow lub indukcyjn

Płynna regulacja mocy biernej

Energia zgromadzona w wiruj cej masie wirnika pozwala cz ciowo skompensowa zapady i zaniki

napi cia

Nie powoduje przepi , nie wytwarza harmonicznych

Nie jest podatny na rezonanse

Wirnik wiruje z pr dko ci

równ pr dko ci wirowania

pola magnetycznego w stojanie

p – liczba par biegunów

Wał kompensatora nie przenosi

adnych momentów nap dowych

Niskie wymagania

wytrzymało ciowe

Niewielka rednica i masa

Migotanie wiatła (FLICKER)

Uczucie dyskomfortu

Zm czenie narz du wzroku

Problemy w spostrzeganiu

Zmiany napi cia wewn trz zakresu eksploatacyjnego:

< ± 10% U

N

0,5 do 35 Hz

Najbardziej odczuwalne 8,8 Hz

Skutek:

regulacji napi cia

cyklicznego zał czania du ych obci e

zał czenia odbiorników o zmiennej w czasie warto ci pobieranego pr du

Ilo ciowa ocena zjawiska migotania wiatła

Nie wystarczy ocena zmian napi cia

Istotna jest cz stotliwo i jej zmiany

Czas pomiaru 10 min. pozwala oceni

Cz stotliwo zmian napi cia

Przebieg czasowy zmian napi cia

Kumuluj cy si w czasie efekt dyskomfortu i zm czenia narz du wzroku

Pomiary s prowadzone za pomoc specjalnego miernika

EN 61000-4-15. „Electromagnetic compatibility (EMC): Testing and measurement techniques -

Flickermeter - Functional and design specifications”

Przyrz d pomiarowy oblicza warto krótkookresowego wska nika migotania wiatła:

P

st

(

ang. short – term

)

P

st

= 1

próg dyskomfortu widzenia

Długookresowy wska nik migotania wiatła P

lt

(

ang. long – term

)

Dla urz dze o jednorazowym czasie pracy powy ej 30 min.

Okres oblicze : 2h

P

lt

= 0,065

próg dyskomfortu widzenia

Wahania warto ci skutecznej napi cia

Urz dzenia powoduj ce migotanie wiatła

Piec łukowy

S = 100 MVA, I

w

= 42 kA

Lite kawałki metalu maj

nisk rezystancj

Wsad podczas topienia

przemieszcza si

Dynamicznie zmienia si

impedancja obci enia

Migotanie 1 – 10 Hz

Po stopieniu warto

impedancji jest stała

Cykliczna praca silników indukcyjnych du ej mocy

Rozruch poprzez bezpo rednie doł czenie do sieci

I

r

= 5 – 7 * I

N

W stanie zatrzymanym w klatce wirnika indukuje si pełne napi cie

Płynie pr d

o du ej warto ci

Przeciwdziałanie efektowi migotania wiatła:

Zwi kszenie mocy zwarciowej w miejscu doł czenia odbiornika niespokojnego:

Wymiana transformatora na jednostk o wi kszej mocy

Zwi kszenie przekroju przewodów linii zasilaj cych

Zwi kszenie warto ci napi cia zasilaj cego

Rozruch silników za pomoc :

Autotransformatora

Softstartu

Przeł cznika Y/

Dynamiczna kompensacja mocy biernej:

Statyczny kompensator mocy biernej

Bateria kondensatorów sterowana tyrystorami

Asymetria napi cia

Układy trójfazowe:

Ró ne warto ci skuteczne napi cia w poszczególnych fazach

K ty fazowe pomi dzy przebiegami napi cia ró ne od 120 º

Przyczyny wyst powania:

Doł czenie do sieci odbiorników jednofazowych o du ej mocy:

Trakcja elektryczna

Zgrzewarki

Spawarki

Nierównomierne rozło enie w sieci trójfazowej odbiorników jednofazowych

Do oceny słu y metoda tzw. składowych symetrycznych

Niesymetryczny układ napi fazowych mo na zast pi superpozycj trzech układów napi :

Trzy wektory o równej długo ci równoległe (odst p 0 °) tzw. składowa zerowa

Trzy wektory o równej długo ci poło one co 120 ° wiruj ce w lewo tzw. składowa zgodna

Trzy wektory o równej długo ci poło one co 120 ° wiruj ce w prawo tzw. składowa przeciwna

Trzy składowe:

Zgodna

Przeciwna

Zerowa

Składowa zerowa:

Nie płynie w układach bez przewodu neutralnego

W układach z przewodem neutralnym powoduje wyst pienie napi cia pomi dzy punktem neutralnym a

ziemi

Ilo ciowa ocena zjawiska:

Konsekwencje:

Silniki indukcyjne:

Zmniejszony moment nap dowy

Składowa przeciwna wytwarza w silniku moment hamuj cy

Zu ycie ło ysk

Składowa pulsacyjna momentu nap dowego o cz stotliwo ci 2*f

1

Przegrzewanie si wirnika, stojana i korpusu

Składowa zerowa powoduje indukowanie pr du w wale wirnika. Obwód zamyka si przez korpus i

ło yska

Generatory synchroniczne:

Nadmierne wydzielanie ciepła

Zmniejszenie mocy znamionowej

Linie przesyłowe:

j. w.

Transformatory:

Nadmierne wydzielanie ciepła

Składowa zerowa powoduje indukowanie pr du

w rdzeniu i kadzi

Sposoby eliminacji:

Równomierne obci enie odbiorników jednofazowych

pomi dzy 3 fazy

Transformator Scott'a

Odbiorniki dwufazowe:

Zgrzewarki

Trakcja elektryczna

Obci enie symetryczne

dla układu trójfazowego

Transformator Steinmetz'a (układ Steinmetz'a)

Dla odbiorników jednofazowych

Przy spełnieniu warunku:

Odbiornik jednofazowy jest

widziany ze strony sieci

trójfazowej jako odbiornik

trójfazowy symetryczny

Zastosowanie:

Trakcja elektryczna

Zgrzewarki

PN-EN 50160 „Parametry napi cia w publicznych sieciach elektroenergetycznych”

EN 50160 „Voltage characteristics of electricity supplied by public electricity networks”

Główne charakterystyki napi cia sieci nn, SN, WN dla ko cowego u ytkownika w normalnych warunkach

pracy sieci

Nie obejmuje tymczasowych stanów pracy sieci w wyniku awarii, prac konserwacyjnych lub robót

budowlanych

Nie obejmuje sytuacji wyj tkowych:

Sytuacji pogodowych

Katastrof

Działa władz publicznych

Sieci nn:

Warto napi cia znamionowego:

U

N

= 230 V

Cz stotliwo znamionowa f

N

= 50 Hz

rednia 10 s:

Wzajemne poł czenia pomi dzy s. e. e.

50 Hz ± 1% (49,5 Hz... 50,5 Hz) przez 99,5% roku

50 Hz + 4% / - 6 % (47 Hz... 52 Hz) przez 100% czasu

Praca wyspowa:

50 Hz ± 2% (49 Hz... 51 Hz) przez 95% tygodnia

50 Hz ± 15% (42,5 Hz... 57,5 Hz) przez 100% czasu

Wahania napi cia:

Wzajemne poł czenia pomi dzy s. e. e.

± 10% U

N

Praca wyspowa:

+10% / -15% U

N

Metoda pomiaru

95 % warto ci rednich 10 min. U

sk

w tygodniu powinno mie ci si w zakresie ± 10% U

N

Wszystkie warto ci rednie 10 min. U

sk

powinny mie ci si w zakresie ± 10% U

N

Migotanie wiatła:

P

lt

1 przez 95% tygodniowego okresu pomiarowego

Odbiór zjawiska migotania zale y od cech osobniczych:

P

lt

1 mo e by zauwa ony

P

lt

> 1 mo e by niezauwa ony

Asymetria napi cia:

95 % z 10 min warto ci rednich U

sk

składowej przeciwnej

powinno znajdowa si w przedziale 0 – 2% U

sk

składowej zgodnej

Składowa zerowa nie jest rozpatrywana

Harmoniczne napi cia:

THD

n 40

8% przez 95% tygodnia

przez 95% tygodnia rednia warto skuteczna ka dej harmonicznej nie powinna by wi ksza ni :

Przepi cia:

Brak wymaga

Dla bezpiecze stwa urz dze i instalacji u ytkownika

nale y stosowa ochronniki przepi ciowe zgodnie z wymaganiami normy IEC 60364-5-53

Sieci SN:

Warto napi cia równa warto ci deklarowanej

Okre lona w umowie pomi dzy dostawc a odbiorc

Pozostałe parametry

Wymagania jak dla sieci nn

Sieci WN, U

N

150 kV:

Migotanie wiatła:

P

lt

1 przez 95% tygodniowego okresu pomiarowego

W przypadkach spornych taka warto , aby powy szy warunek był spełniony w sieci nn

Harmoniczne napi cia:

THD

n 40

8% przez 95% tygodnia

przez 95% tygodnia rednia warto skuteczna ka dej harmonicznej nie powinna by wi ksza ni

podano

w tabeli

W przypadkach spornych limity harmonicznych w sieci WN powinny by odniesione do limitów w sieci

SN:

Współczynnik D powinien zosta okre lony w umowie pomi dzy dostawc a odbiorc energii

Agregat pr dotwórczy:

Silnik spalinowy + generator synchroniczny

Masa < 10 kg (<1 kVA) do > 29 ton (1 MVA zabudowany)

Sprawno cieplna: 43 - 45%

Agregat przeno ny, S

N

<18 kVA

Silnik benzynowy (Diesla)

Wersja standard:

U = ± 10% U

N

S

chwilowa

= 110 S

N

Wersja AVR (Automatic Voltage Regulation)

Lepsza jako stabilizacji napi cia

Do zasilania urz dze elektronicznych

Nie mo e by przeci any

Agregat stacjonarny, S

N

< kilka MVA

Silnik Diesla

Nieobudowany:

Do monta u w agregatorniach

Poziom hałasu 120 dB

Obudowany:

Obudowa wyciszona wełn mineraln lub piank poliuretanow

Grzałka do rozruchu w niskich temperaturach

Agregat z rozruchem r cznym

Agregat z rozruchem automatycznym

Współpraca z SZR

Bateria akumulatorów

Agregat z rozruchem automatycznym i SZR

Praca całkowicie autonomiczna

Bateria akumulatorów

Dobór agregatu (zalecenia firmy GENPOWER):

Moc doł czonych odbiorników powinna stanowi 60 – 70% mocy znamionowej agregatu

Ró nica w obci eniu 3 faz poni ej 10%

Koszty eksploatacyjne

(przeliczone dane z Wielkiej Brytanii, 2007 r.):

Zu ycie paliwa: 0,28 – 0,4 l / kWh

1,47 – 2,11 PLN / kWh

rednie ceny paliw (24.10.2011 r.):

PB 95 5,33 PLN / l

ON 5,27 PLN / l

Ogólny koszt konserwacji: 2,5 – 5 gr / kWh

Sprawno agregatu maleje:

o 3% przy zmianie wysoko ci o 300 m n. p. m

o 1% przy wzro cie temperatury otoczenia o 3 ºC

Zasilacze awaryjne

Uninterruptible Power Supply (UPS)

W Polsce kojarzony głównie z technologiami wykorzystuj cymi akumulatory

Zastosowanie:

Komputery

Systemy informatyczne

Urz dzenia medyczne

Trzy podstawowe rodzaje:

On – line

Off – line

Line-interactive

Po dane cechy UPS'a:

Regulowane ródło napi cia sinusoidalniezmiennego, o niskiej warto ci THD niezale nie od zmian

obci enia, napi cia wej ciowego, nieliniowo ci odbiornika

Zerowy czas przeł czania z trybu normalnego do awaryjnego i na odwrót

Wysoka sprawno i niezawodno

Niska warto THD pr du pobieranego z sieci i wysoki cos

Niski poziom zakłóce EM i niski poziom hałasu

Izolacja obwodów wej ciowych, wyj ciowych i akumulatora

Niski koszt, mała masa i gabaryty

UPS w topologii on-line

IEC 62040-3:

double conversion

S

N

< i > 2 kVA

Prostownik

Praca ci gła

Ładowarka

akumulatorów

Bateria akumulatorów

Falownik

Praca ci gła

Przeł cznik

obej ciowy

Przeci enie

lub awaria

Obci enie zasilane przez falownik, a nie sie energetyczn

Straty na podwójnej przemianie energii (AC/DC – DC/AC)

Brak czasu przeł czania

Falownik pracuje ci gle

Musi by odpowiednio zwymiarowany

Szeroka tolerancja na zmienno warto ci napi cia wej ciowego

Niski cos i wysoka warto THD pr du pobieranego z sieci

Mo liwa poprawa tych parametrów dodatkowymi układami PFC

UPS w topologii off – line

IEC 62040-3:

Passive standby

S < 2 kVA

W czasie normalnej

pracy obci enie

jest zasilane

bezpo rednio z

sieci energetycznej

Zał czenie falownika

do pracy z baterii pon.

10 ms

Prosta konstrukcja

Niski koszt

Kompromis

Mała masa

UPS w topologii line – interactive

Wg IEC 62040-3

Falownik dostarcza

energi do

obci enia i ładuje

akumulator

Mo liwo cz ciowej

poprawy jako ci energii

za pomoc falownika

Ni szy koszt od

topologii double

conversion

Słabe zabezpieczenie

przed przepi ciami

Słaba sprawno dla

obci e nieliniowych

Dla małych mocy

Elementy składowe zasilacza awaryjnego:

Prostownik:

Diody półprzewodnikowe

Akumulator

Falownik:

Tranzystory mocy

Układ steruj cy

Prostownik

Zamienia napi cie przemienne na stałe:

Do ładowania akumulatora

Dla falownika

Dioda półprzewodnikowa:

Przepuszcza pr d tylko w jednym kierunku (strzałka)

Prostownik dwupołówkowy (GRAETZ'A)

Filtr pojemno ciowy (RC, R 0)

Bateria akumulatorów

Cechy:

Wysoka g sto energii (mała masa)

Brak czynno ci eksploatacyjnych (niski koszt)

Brak wydzielania palnych substancji (wzgl dy p. po .)

Brak wycieków elektrolitu (BHP)

Technologia VRLA

(ang. valve-regulated lead–acid battery)

Szczelna obudowa

Zawór bezpiecze stwa

Płyty ołowiane (

ang. lead

)

Kwas siarkowy (

ang. acid

)

Tlen rekombinuje z wodorem tworz c wod

Tryb ładowania:

Stałe napi cie 2,35 V na ka de ogniwo

Technologia AGM

(

ang. absorbed glass mat

)

Elektrolit uwi ziony w macie szklanej (efekt kapilarny)

1,5 x wi ksza pojemno od zwykłych akumulatorów kwasowych

Ni sza rezystancja wewn trzna

Dłu szy czas pracy, wy sze napi cie

Wy szy pr d rozładowania przy mniejszej pojemno ci

Prawidłowa praca poni ej -18 °C

Nie mog by przeładowywane

Trwało do 10 lat

Koszt dwukrotnie wy szy od normalnego akumulatora

Ni szy koszt od akumulatora elowego

Technologia elowa

Elektrolit w postaci elu (kwas zmieszany z krzemionk )

Mog pracowa w ka dej pozycji

Odporne na wibracje

Wy sza przewodno cieplna

Pełne odzyskanie pojemno ci po gł bokim rozładowaniu

Idealne do codziennej powtarzaj cej si pracy cyklicznej

Wysoka wydajno w ci gu długich rozładowa

Dobra odporno na zastosowania w wy szych temperaturach

Niskie samorozładowanie

Mo liwo rozładowywania nawet wtedy gdy nie zostan w pełni naładowane, bez utraty pojemno ci

Falownik

Wytwarza napi cie przemienne jedno – lub trójfazowe z napi cia stałego

Wysoka sprawno

Małe straty

Małe wymagania odno nie odbioru ciepła

Elementy mocy pracuj dwustanowo:

Zał czony: I >0, R 0

Wył czony: I = 0, R

Element kluczuj cy

Tranzystor kluczuj cy

Analogia do klucza telegraficznego

Wykorzystanie modulacji szeroko ci impulsu

Klucz

Klucz + elementy tłumi ce przepi cia

Dioda zwrotna + kondensator tłumi cy (

ang. snubber

)

Dlaczego odpowiednio przystosowany wzmacniacz mocy audio nie mo e by falownikiem?

P

lavg

= 3,2 W

P

Q7avg

= 1,2 W

P

Q8avg

= 1,2 W

Praca liniowa tranzystorów =

DU E STRATY (CIEPŁO)

Modulacja szeroko ci impulsu

(ang. Pulse Width Modulation)

Zmiana czasu zał czenia klucza (t

on

) w stosunku do czasu wył czenia klucza (t

off

)

Współczynnik szeroko ci impulsu:

Zmiana czasu zał czenia klucza t

on

(lub współczynnika D)

Zmiana warto ci redniej napi cia lub pr du

Przebieg sinusoidalny do sterowania kluczami

Płynna zmiana t

on

wg funkcji sinus

Wytwarzanie napi cia wyj ciowego

Układ półmostkowy

Klucz S1 wytwarza dodatni połówk sinusoidy

Sterowanie sygnałem OUT1

Klucz S2 wytwarza ujemn połówk sinusoidy

Sterowanie sygnałem OUT2

Kondensatory dziel napi cie zasilaj ce na pół

Punkt neutralny (N) na poziomie 155 V

Wady

Amplituda napi cia wyj ciowego równa co najwy ej 1/2 U

DC

Dla 230 V konieczne wst pne układy podwajania napi cia

Kondensatory C1 i C2:

Du pojemno

Niska impedancja

Płyn przez nie du e pr dy

Wysoki koszt

Pr dy ł czników w kA = dokładno symulacji

Układ mostkowy

Cztery klucze

Sterowane krzy owo:

S1, S3

S2, S4

Obci enie pomi dzy punktami wspólnymi pary kluczy

Przy przeł czaniu kluczy w ka dej z gał zi mostka nast puje krótkotrwałe zwarcie ródła napi cia stałego

Jeden z kluczy

jeszcze si nie wył czył

, a drugi klucz

zaczyna przewodzi pr d

Powstaje tzw. zwarcie skro ne (ang. shoot though)

Moc tracona w wyniku zwar skro nych 4 x 14,1 = 56,4 kW

Moc wydzielona w obci eniu 428 W

Zwarcia sko ne obni aj sprawno falownika

Mog spowodowa

Uszkodzenie kluczy

Zadziałanie zabezpiecze

Od strony sieci energetycznej

W obwodzie ródła napi cia stałego

Eliminacja zwar skro nych

Zaczeka , a pr d klucza zmaleje do zera przed zał czeniem drugiego klucza w tej samej gał zi

Poszczególne impulsy napi steruj cych parami kluczy musz by oddzielone okresami w których u(t) =

0 V

Czas martwy t

m

(

ang. dead time

, t

d

)

Typowo 10 - 12 s dla IGBT

Stała warto zale na od:

rodzaju kluczy

technologii tranzystorów mocy

warto ci indukcyjno ci obci enia

Napi cia steruj ce kluczy bez eliminacji zwar skro nych

Napi cia steruj ce kluczy z eliminacj zwar skro nych

Modyfikacja układu steruj cego

Przebiegi napi steruj cych

Falownik z uwzgl dnieniem czasów martwych

Pr dy kluczy

Straty

rednia moc tracona w kluczach: 4 x 8 = 32 W

rednia moc wydzielona w obci eniu: 672 W

Uzyskiwanie napi cia 310 V z baterii akumulatorów

Transformator na wyj ciu falownika

Elementy pełni ce rol kluczy

Tranzystory bipolarne

Sterowane pr dem (obwód baza emiter)

Dodatkowe straty w obwodach steruj cych: P = R*I

2

Niski spadek napi cia (obwód kolektor – emiter) na przewodz cym kluczu dla wysokich napi

zasilania

Stosunkowo powoli przechodz z trybu wył czenia do zał czenia (i na odwrót) niska cz stotliwo

pracy (kHz)

W falownikach maj znaczenie historyczne

Pr d do 50 A dla 1000 V

Tranzystor polowy (MOSFET)

Sterowany napi ciem (obwód bramka – ródło)

W stanie ustalonym w tym obwodzie nie płynie pr d

W stanach przej ciowych obwód bramki zachowuje si jak kondensator

Aby go szybko naładowa nale y zapewni pr d

rz du 1 do kilku A

Dla niskich napi zasilaj cych niski spadek napi cia

na przewodz cym elemencie

Mo liwa du a cz stotliwo przeł cze ~100 kHz

Pr dy do 50 A (500 V) do 200 A (70 V)

Tranzystor bipolarny z izolowan bramk (IGBT)

Sterowany napi ciem (obwód bramka – emiter)

W stanie ustalonym w tym obwodzie nie płynie pr d

W stanach przej ciowych obwód bramki zachowuje si jak kondensator (jak MOSFET)

Dla wysokich napi zasilaj cych niski spadek napi cia

na przewodz cym elemencie (jak bipolarny)

Tylko dwa statyczne stany pracy: zał czony lub wył czony

Cz stotliwo przeł czania do 10 – 20 kHz

Dla du ych mocy:

Napi cia do 1200 V

Pr dy do 1000 A

Zasilacz awaryjny trójfazowy

Falownik trójfazowy

Trzy pary napi steruj cych

Mostek trójfazowy

Falownik trójfazowy z jednym ródłem napi cia stałego