PRZEGL¥D ELEKTROTECHNICZNY R. 81 NR 7-8/2005

Wstêp

Obserwowana od blisko dwudziestu lat w krajach wysoko

rozwiniêtych tendencja budowy spo³eczeñstwa informa-
tycznego skutkuje nieustannym wzrostem wymagañ w od-
niesieniu do jakoœci i niezawodnoœci dostawy energii
elektrycznej poprzez g³ówne Ÿród³o, którym jest sieæ
elektroenergetyczna. Niezawodne dzia³anie bardzo wra¿liwych
na zaburzenia, skomplikowanych mikroprocesorowych
i komputerowych systemów stosowanych coraz powszechniej
w sterowaniu procesów przemys³owych, w ró¿nego rodzaju
us³ugach teleinformatycznych, medycznych, a nawet w sprzê-
cie gospodarstwa domowego wymaga zasilania energi¹
o bardzo wysokiej jakoœci. Nie trzeba nikogo przekonywaæ, ¿e
wyst¹pienie takiego zaburzenia jak przerwa w zasilaniu jest
w przypadku wielu odbiorników w postaci sprzêtu infor-
matycznego ca³kowicie wykluczone. Z drugiej jednak strony
roœnie liczba u¿ytkowników energii instaluj¹cych odbiorniki,
w tym równie¿ w postaci ró¿nego rodzaju sprzêtu kom-
puterowego, które z uwagi na nieliniowoœæ i niestacjonarnoœæ
swoich charakterystyk pr¹dowo-napiêciowych wp³ywaj¹
negatywnie na liniê zasilaj¹c¹, pogarszaj¹c parametry
okreœlaj¹ce jakoœæ energii przekazywanej czy te¿ dostêpnej
w sieci elektroenergetycznej.

Dokonane przekszta³cenia w³asnoœciowe w obszarze

energetyki, wsparte odpowiednimi uregulowaniami prawnymi,
upowa¿niaj¹ w ca³ej rozci¹g³oœci do traktowania energii
elektrycznej jako towaru, który jak ka¿dy inny produkt powinien
podlegaæ ocenie i standaryzacji. W Polsce, jak i w innych
krajach, w których nastêpuje prywatyzacja sektora ener-
getycznego, energia elektryczna jest wiêc nie tylko wielkoœci¹
fizyczn¹, ale tak¿e kategori¹ ekonomiczno-handlow¹, pod-
legaj¹c¹ prawu energetycznemu [30]. Jednak specyfika energii
elektrycznej jako towaru polega na tym, ¿e o najistotniejszych
wielkoœciach okreœlaj¹cych jej jakoœæ decyduje nie tylko
wytwórca, ale tak¿e dystrybutor, a nade wszystko sami odbior-
cy. St¹d te¿ odpowiedzialnoœæ za jakoœæ energii dzieli siê

pomiêdzy dostawcê i odbiorcê, w tym równie¿ producentów
urz¹dzeñ eksploatowanych przez u¿ytkowników energii.
Wzajemne relacje w okreœleniu stopnia odpowiedzialnoœci za
jakoœæ energii elektrycznej w punkcie pod³¹czenia odbioru s¹
trudne do okreœlenia, przy czym z regu³y odbiorca jest traktowany
jako domniemany sprawca pogorszenia parametrów energii.

Problemy jakoœci energii nabra³y jeszcze bardziej ostrego

wymiaru z chwil¹ coraz bardziej znacz¹cego wzrostu roli
systemów rozproszonej generacji, a w tym tak¿e wzrostu
zainteresowania odnawialnymi Ÿród³ami energii.

Zagadnieniom jakoœci energii elektrycznej i niezawodnoœci

jej dostaw poœwiêcono wiele publikacji naukowych i tech-
nicznych [7], [9], [11], [26], a swego rodzaju podsumowanie
stanu wiedzy z tego zakresu stanowi równie¿ szereg wydanych
norm [31] ÷ [36], definiuj¹cych m.in. dopuszczalne odchylenia
wartoœci podstawowych wielkoœci opisuj¹cych energiê
elektryczn¹ od ich wartoœci, okreœlanych jako znamionowe.

Najbardziej niepo¿¹dane s¹ wszelkiego rodzaju tzw. zabu-

rzenia przewodzone, wywo³uj¹ce zak³ócenia w przebiegach
wartoœci chwilowych napiêæ sieci. Problemom tym poœwiêcono
niniejsz¹ pracê, w której podjêto równie¿ próbê kompleksowej
prezentacji, objêtych ju¿ normami, standardowych zaburzeñ
³¹cznie z omówieniem uk³adów energoelektronicznych, zdolnych
do ca³kowitej b¹dŸ czêœciowej redukcji tych zaburzeñ. Wypada
tu dodaæ, ¿e w du¿ej mierze do pojawienia siê problemów
z jakoœci¹ energii przyczyni³y siê wszelkiego rodzaju przekszta³tniki
energoelektroniczne, które s¹ odbiornikami nieliniowymi, pobie-
raj¹cymi z regu³y pr¹d odkszta³cony. Z drugiej jednak strony dziêki
najnowszym osi¹gniêciom energoelektroniki jest mo¿liwa szeroko
rozumiana poprawa jakoœci energii elektrycznej.

WskaŸniki jakoœci energii elektrycznej
i zaburzenia standardowe

Z³o¿onoœæ procesu zwi¹zanego z wytwarzaniem, dystry-

bucj¹ i u¿ytkowaniem energii i wynikaj¹ce z tego trudne do
sprecyzowania w sensie technicznym i prawnym relacje miêdzy

Organ Stowarzyszenia Elektryków Polskich

l

l

Wydawnictwo SIGMA-NOT Sp. z o.o.

Ukazuje siê od 1919 roku

7-8’05

Roman BARLIK, Mieczys³aw NOWAK

Politechnika Warszawska, Instytut Sterowania i Elektroniki Przemys³owej

JakoϾ energii elektrycznej Рstan obecny i perspektywy

Streszczenie: W artykule przedstawiono najczêœciej spotykane zaburzenia przewodzone oraz podstawowe wskaŸniki okreœlaj¹ce jakoœæ energii
elektrycznej w miejscu zainstalowania odbiorników. Omówiono sposoby poprawy jakoœci energii w sieciach elektroenergetycznych przy wykorzystaniu
ró¿nych urz¹dzeñ energoelektronicznych. Wskazano na tendencje rozwojowe w zakresie rozproszonych Ÿróde³ energii i uk³adów s³u¿¹cych do jej
przekszta³cania. (Power electrical energy quality – present state and perspectives).

Abstract: This paper presents a most often occurenced conducting disturbances and the main indicators describing the power quality in the place of
load installation. The methods of the power quality improvement by different static power converters have been demonstrated. The development trends
in the distributed energy systems, renewable energy sources and power electronics converters used for conversion this energy have been discribed.

S³owa kluczowe: jakoœæ energii elektrycznej, filtry aktywne, sterowniki przep³ywu energii, bezprzerwowe zasilanie, magazyny energii, przekszta³tniki
PWM, harmoniczne.
Keywords: power quality, active filters, FACTS, UPS, energy storage, PWM inverter, harmonic suppression.

PRZEGL¥D ELEKTROTECHNICZNY R. 81 NR 7-8/2005

dostawc¹ a odbiorc¹ sprawiaj¹, ¿e dotychczas nie zosta³a
w sposób jednoznaczny i zadowalaj¹cy wszystkie zaintere-
sowane strony okreœlona definicja jakoœci energii elektrycznej.
Nale¿y tu równie¿ mieæ na uwadze fakt, ¿e pod pojêciem
u¿ytkownika energii kryje siê tak¿e, i to w istotnym stopniu,
producent sprzêtu eksploatowanego przez w³aœciwego
u¿ytkownika. Producenci sprzêtu z kolei z regu³y precyzuj¹
w normach wyrobu niektóre wymagania odnoœnie do para-
metrów jakoœciowych g³ównie napiêcia zasilaj¹cego (nie
zawsze odpowiadaj¹cych parametrom gwarantowanym przez
dostawcê energii), sami jednak unikaj¹ podawania jakich-
kolwiek informacji o w³aœciwoœciach sprzêtu, mog¹cych
negatywnie oddzia³ywaæ na liniê zasilaj¹c¹. Niejednokrotnie
jawna sprzecznoœæ interesów prowadzi do sytuacji, w której
jakoœæ energii ma ró¿ne znaczenie dla poszczególnych
podmiotów zwi¹zanych z wytwarzaniem i u¿ytkowaniem energii
[11], [30]. Nale¿y te¿ pamiêtaæ, ¿e energia elektryczna dociera
do u¿ytkownika przebywaj¹c drogê od wytwórcy, poprzez
system urz¹dzeñ przesy³owych i rozdzielczych. Ka¿de
z urz¹dzeñ bior¹cych udzia³ w tym procesie charakteryzuje
siê okreœlon¹ niezawodnoœci¹ i mo¿e nie tylko zmieniaæ swoje
w³aœciwoœci, ale tak¿e ulegaæ uszkodzeniom i awariom,
zmuszaj¹cym do ca³kowitego b¹dŸ chwilowego wycofania
z eksploatacji. Te niepo¿¹dane efekty s¹ wywo³ywane
oddzia³ywaniem wielkoœci elektrycznych (szczególnie o war-
toœciach odbiegaj¹cych od znamionowych), mechanicznych,
chemicznych, ekstremalnych warunków atmosferycznych,
procesów starzenia, a tak¿e wp³ywem dzia³alnoœci cz³owieka
i zachowania zwierz¹t. W skrajnych przypadkach zak³ócenia
w systemie dystrybucji mog¹ byæ przyczyn¹ przerw w dostawie
energii dla jednego b¹dŸ wielu odbiorców. St¹d te¿ w niektórych
publikacjach do ogólnych wskaŸników charakteryzuj¹cych
energiê elektryczn¹ w³¹cza siê tak¿e niezawodnoœæ jej dos-
tawy, a w tym przerwy w zasilaniu odbiorców. Specyfika energii
elektrycznej jako nietypowego towaru sprawia, ¿e ten pogl¹d
w ogólnym przypadku mo¿e byæ ³atwo podwa¿ony, gdy¿ proces
dostarczania towaru a jego cechy u¿ytkowe i jakoœciowe s¹
pojêciami nale¿¹cymi do zupe³nie odmiennych kategorii [11].
Trudno np. za niesolidnoœæ przedsiêbiorstwa transportowego
winiæ producenta towaru i odwrotnie. Jednak w obliczu du¿ej
liczby u¿ytkowników sprzêtu elektrycznego o nieliniowych
charakterystykach napiêciowo-pr¹dowych i wykazuj¹cego
charakter „niespokojny” wskazywanie tylko na spó³kê dys-
trybucyjn¹ jako na podmiot decyduj¹cy o jakoœci energii
elektrycznej jest nieuzasadnione. W kontraktach zawieranych
pomiêdzy indywidualnym odbiorc¹ a dostawc¹ energii
elektrycznej, jako g³ównymi partnerami odpowiedzialnymi za
jakoœæ energii elektrycznej, odbiorca bêd¹cy jednym ze
sprawców pogorszenia jej wskaŸników jest zobowi¹zany do
poddania siê kontroli, oceniaj¹cej, czy u¿ytkowany przez niego
sprzêt elektryczny stanowi przyczynê pogorszenia parametrów
jakoœciowych energii elektrycznej. Niejednokrotnie kontrola
taka koñczy siê poleceniem ograniczenia nadmiernej emisji
zaburzeñ opisywanych przede wszystkim za pomoc¹
wskaŸników okreœlaj¹cych jakoœæ napiêcia linii zasilaj¹cej,
a wiêc: odchylenia od wartoœci znamionowej, wahania
i zawartoœæ wy¿szych harmonicznych.

Te ostatnie, o coraz wiêkszym poziomie, nale¿y zaliczyæ do

zaburzeñ przewodzonych dwukierunkowych w punkcie przy³¹czenia
odbioru, co oznacza, ¿e odpowiedzialnoœæ za nie mo¿e ponosiæ
zarówno dostawca energii, jak i jej odbiorca.St¹d te¿, z praktycznego
punktu widzenia, za trafn¹ nale¿y uznaæ nastêpuj¹c¹ próbê
zdefiniowania jakoœci energii elektrycznej [11]:

Jakoœæ energii elektrycznej jest cech¹ œwiadcz¹c¹ o jej

przydatnoœci do zasilania odbiorników i jest okreœlona zbiorem
parametrów i wskaŸników opisuj¹cych w³aœciwoœci procesu

dostarczania energii do u¿ytkownika w normalnych warunkach
pracy (tzn. w warunkach nieobejmuj¹cych sytuacji spowo-
dowanej ekstremalnymi si³ami natury, ingerencji osób trzecich,
dzia³ania w³adz administracyjnych uzasadnionych warunkami
nadzwyczajnymi), charakteryzuj¹cych ci¹g³oœæ zasilania
(d³ugie i krótkie przerwy w zasilaniu) oraz opisuj¹cymi napiêcie
zasilaj¹ce ze szczególnym uwzglêdnieniem zaburzeñ prze-
wodzonych, w tym tak¿e dwukierunkowych.

Definicja ta uwzglêdnia udzia³ w odpowiedzialnoœci za

jakoœæ energii elektrycznej zarówno dostawcy, jak i szeroko
rozumianego odbiorcy, w tym tak¿e producenta instalowanego
sprzêtu. Zak³ada siê przy tym, ¿e wytwórca energii elektrycznej
ma znikomy wp³yw na jakoœæ energii elektrycznej w miejscu
jej dostarczania do odbiorców i ¿e generatory w elektrowniach
wytwarzaj¹ w sposób ci¹g³y praktycznie sinusoidalne
i symetryczne napiêcie wyjœciowe. Podana definicja wyraŸnie
wskazuje na to, ¿e sposób korzystania z energii elektrycznej
jest jednym z zasadniczych elementów wp³ywaj¹cych na
zmianê parametrów charakteryzuj¹cych jej jakoœæ.

Do redukcji b¹dŸ eliminacji wiêkszoœci skutków zaburzeñ

o charakterze przewodzonym stosowane s¹ ró¿ne œrodki, przy
czym za najbardziej efektywne nale¿y uznaæ ró¿nego rodzaju
urz¹dzenia energoelektroniczne, które zapewniaj¹ poprawê
jakoœci w zakresie czêstotliwoœci napiêcia, zmian i szybkich
zmian wartoœci napiêcia, wahañ napiêcia, a w tym efektu
migotania oœwietlenia, zapadów i podskoków wartoœci napiêcia,
przepiêæ, niesymetrii napiêcia trójfazowego, harmonicznych
napiêcia i pr¹du, interharmonicznych napiêcia, a nawet przerw
w zasilaniu [27]. Z uwagi na to, ¿e w dalszej czêœci niniejszej
pracy zostan¹ przedstawione wybrane uk³ady energoelektro-
niczne, s³u¿¹ce do poprawy jakoœci energii, poni¿ej zapre-
zentowano krótk¹ charakterystykê najwa¿niejszych parametrów
opisuj¹cych wymienione zaburzenia, z podaniem ich przyczyn
i wskazaniem œrodków zaradczych. Jednym z u¿ytecznych
sk³adników oceny jakoœci energii elektrycznej w miejscu jej
odbioru s¹ standardy, zawieraj¹ce m.in. dopuszczalne granice
zmian jej parametrów.

l Znamionowa wartoœæ czêstotliwoœci napiêcia linii, jako

liczba powtórzeñ przebiegu wartoœci chwilowej podstawowej
harmonicznej tego napiêcia wystêpuj¹ca w ci¹gu 1 sekundy,
powinna wynosiæ 50 Hz. Wartoœæ œrednia czêstotliwoœci,
mierzona w normalnych warunkach pracy sieci w ci¹gu 10 s,
powinna wynosiæ 50 Hz ±1%, tzn. mieœciæ siê w granicach
49,5÷50,5 Hz. Odchy³ki od czêstotliwoœci znamionowej
pojawiaj¹ siê g³ównie w wyniku ko³ysañ mocy w systemie
energetycznym, które mog¹ byæ skutecznie t³umione m.in.
przez wykorzystanie energoelektronicznych systemów FACTS
(flexible AC transmission system).

l Wartoœæ skuteczna znamionowego napiêcia publicznej

sieci niskiego napiêcia wynosi 230 V miêdzy faz¹ a przewodem
neutralnym i 400 V pomiêdzy fazami. Z pominiêciem przerw
w zasilaniu, napiêcie sieci mo¿e podlegaæ zmianom, przy czym
œrednie z dziesiêciominutowych pomiarów wartoœci skutecz-
nych powinny mieœciæ siê w przedziale U

n

±10%. Zmiany

napiêcia zasilaj¹cego w tych granicach spowodowane s¹
przede wszystkim zmianami ca³kowitego obci¹¿enia
rozdzielczej sieci zasilaj¹cej lub fragmentu tej sieci.

l Szybkie zmiany wartoœci skutecznej napiêcia sieci

pomiêdzy dwoma nastêpuj¹cymi po sobie poziomami,
utrzymuj¹cymi siê przez skoñczony, ale przypadkowo zmienny
czas nie przekraczaj¹ w normalnych warunkach pracy sieci
z regu³y 5% znamionowej wartoœci napiêcia. W praktyce
dopuszczalne s¹ tak¿e dziesiêcioprocentowe zmiany napiêcia
o krótkim czasie trwania, wystêpuj¹ce nawet kilkakrotnie
w ci¹gu dnia. Tego rodzaju zaburzenia s¹ wywo³ywane
zmianami obci¹¿enia, jak te¿ procesami ³¹czeniowymi w sieci

zasilaj¹cej. Nale¿y tu dodaæ, ¿e przedzia³ odchyleñ ±10%
wartoœci znamionowej w licznych przypadkach przekracza
dopuszczalne odchylenia napiêcia zasilania podawane
w normach produktów, a w szczególnoœci dotycz¹cych testów
bezpieczeñstwa sprzêtu elektrycznego, okreœlonych np. w EN
60601 (sprzêt medyczny), EN 60335 (sprzêt gospodarstwa
domowego) czy EN 60950 (sprzêt elektroniczny – faksy,
kopiarki, aparatura wideo) [26]. Pe³na ochrona odbiorników
wra¿liwych na zmiany napiêcia jest mo¿liwa tylko przy u¿yciu
energoelektronicznych uk³adów bezprzerwowego zasilania
UPS (uninterruptable power supplies).

l Wahania napiêcia, jako seria cyklicznych zmian napiêcia,

wywo³anych okresowymi zmianami obci¹¿enia sieci (np. przez
silniki o okresowo zmiennym momencie obci¹¿enia) s¹
przyczyn¹ zjawiska migotania œwiat³a (flickering). Zjawisko to,
stanowi¹ce odzwierciedlenie niestabilnoœci luminancji lub
rozk³adu spektralnego Ÿród³a œwiat³a, jest bardzo uci¹¿liwe
i wp³ywa niekorzystnie na stan psychiczny cz³owieka. Poziom
dyskomfortu wzrasta wraz ze wzrostem amplitudy i czêsto-
tliwoœci migotania. Przy pewnych czêstotliwoœciach, zawartych
w granicach 0,1 ±30 Hz nawet bardzo ma³e amplitudy wahañ
mog¹ byæ uci¹¿liwe. Zapobieganie efektowi migotania mo¿e
siê odbywaæ b¹dŸ poprzez redukcjê pierwotnej przyczyny, jak¹
jest wahanie napiêcia, b¹dŸ poprzez zastosowanie odpo-
wiedniego zasilacza dla samego Ÿród³a œwiat³a. Do redukcji
wahañ napiêcia wywo³anych przez konkretny odbiornik mo¿na
poleciæ zastosowanie energoelektronicznego kompensatora
udarów mocy czynnej [16].

l Zapad napiêcia zasilaj¹cego to pojêcie, okreœlaj¹ce nag³e

zmniejszenie siê tego napiêcia do wartoœci mieszcz¹cej siê
w przedziale od 90% do 1% napiêcia ustalonego w porozu-
mieniu miêdzy dostawc¹ a odbiorc¹ (z regu³y jest to napiêcie
znamionowe), po którym w krótkim czasie nastêpuje powrót
do wartoœci pocz¹tkowej. Przyjmuje siê, ¿e czas trwania zapadu
mieœci siê w granicach od 10 ms do 1 minuty. Ró¿nica miêdzy
napiêciem w czasie trwania zapadu a napiêciem ustalonym
nosi nazwê g³êbokoœci zapadu. Zapady s¹ wynikiem zwaræ
b¹dŸ rozruchów du¿ych maszyn i nale¿¹ do zdarzeñ losowych.
Wiêkszoœæ z nich trwa nie d³u¿ej ni¿ jedna sekunda, a ich
g³êbokoœæ nie przekracza 60%. Œrodkiem zaradczym mog¹
byæ energoelektroniczne kompensatory mocy udarowej,
a w przypadku Ÿród³a zaburzenia w postaci maszyn, tak¿e
uk³ady miêkkiego rozruchu (soft start).

l Przerwa w zasilaniu to stan, w którym napiêcie w danym

punkcie sieci jest mniejsze ni¿ 1% napiêcia znamionowego
(lub deklarowanego, czyli wynikaj¹cego z porozumienia miêdzy
dostawc¹ i odbiorc¹). Przerwy te wynikaj¹ z planowych prac
serwisowych b¹dŸ wy³¹czeñ przypadkowych, spowodowanych
np. trwa³ymi lub przemijaj¹cymi zwarciami, uszkodzeniami
urz¹dzeñ itp. Rozró¿nia siê przerwy krótkie (do trzech minut)
i d³ugie (powy¿ej trzech minut). Najpewniejszym œrodkiem
zabezpieczaj¹cym odbiorniki przed zanikiem zasilania jest
u¿ycie jednego z uk³adów bezprzerwowego zasilania, przy
czym w przypadku krótkich przerw mog¹ byæ to uk³ady
z magazynem energii np. w postaci superkondensatorów,
a w przypadku d³u¿szych przerw – nawet uk³ady pr¹dotwórcze
z silnikami spalinowymi.

l Przejœciowe i dorywcze przepiêcia s¹ zaburzeniami

w postaci krótkotrwa³ych, oscylacyjnych lub pojedynczych
impulsów napiêcia, zwykle silnie t³umionych, trwaj¹cych do
kilku milisekund, na³o¿onych na sinusoidalny przebieg wartoœci
chwilowej napiêcia sieci. Przepiêcia przejœciowe s¹ zwykle
wywo³ane wy³adowaniami atmosferycznymi, prze³¹czeniami,
zwarciami itp. Przyczyn¹ przepiêæ dorywczych o charakterze
powtarzalnym s¹ za³¹czenia i wy³¹czenia baterii konden-
satorów do poprawy wspó³czynnika mocy oraz wy³¹czanie

nieobci¹¿onych transformatorów. Skutecznym œrodkiem
zabezpieczaj¹cym przed przepiêciami s¹ ró¿nego rodzaju
ochronniki, odgromniki, warystory, iskierniki itp. Charakter
powtarzalnych przepiêæ maj¹ tzw. za³amania komutacyjne,
wynikaj¹ce z procesów komutacyjnych przekszta³tników
energoelektronicznych. Zniekszta³cenia te maj¹ kszta³t
impulsów „w górê” i „w dó³” o wartoœciach

DU = (0,2÷1)Ö2U

n

lub

DU = (1÷1,2)Ö2U

n

o czasie trwania do 1 ms, przy czym

w zale¿noœci od rodzaju przekszta³tnika, w okresie napiêcia
sieci mo¿e wyst¹piæ kilka za³amañ o ró¿nych wartoœciach.
Za³amania komutacyjne wystêpuj¹ g³ównie w sieciach niskiego
napiêcia [7], [10]. S¹ one przyczyn¹ nie tylko przepiêæ, ale
g³ównie odkszta³ceñ krzywej przebiegu wartoœci chwilowej
napiêcia, co znajduje swój wyraz w zawartoœci wy¿szych
harmonicznych tego napiêcia. Za³amania komutacyjne nie
wystêpuj¹ w przypadku przekszta³tników sieciowych
realizowanych przy u¿yciu elementów pó³przewodnikowych
w pe³ni sterowalnych (IGBT, GTO), w których stosowane s¹
techniki modulacji szerokoœci impulsów (PWM rectifier)
[15], [19], [20].

l Harmoniczne napiêcia s¹ sinusoidalnymi sk³adowymi

tego napiêcia, z której ka¿da ma czêstotliwoœæ równ¹ ca³kowitej
krotnoœci czêstotliwoœci podstawowej napiêcia zasilaj¹cego.
Okreœlenie stopnia odkszta³cenia przebiegu wartoœci chwilowej
napiêcia sieci dokonuje siê za pomoc¹ wartoœci wzglêdnych
amplitud indywidualnych harmonicznych U

h

, odniesionych do

amplitudy sk³adowej podstawowej U

1

(h – rz¹d harmonicznej)

lub te¿ za pomoc¹ wspó³czynnika ca³kowitej zawartoœci
wy¿szych harmonicznych (wspó³czynnika odkszta³cenia
harmonicznymi – total harmonic distortion THD), wyliczanego

z wzoru . Wy¿sze harmoniczne napiêcia

wywo³ywane s¹ poprzez wy¿sze harmoniczne, wystêpuj¹ce
w pr¹dach pobieranych przez odbiorniki nieliniowe (klasyczne
diodowe i tyrystorowe przekszta³tniki energoelektroniczne,
zgrzewarki, piece ³ukowe, niektóre typy lamp oœwietleniowych,
pr¹dy magnesuj¹ce transformatorów). Wy¿sze harmoniczne
pr¹du odbiornika powoduj¹ powstanie na impedancji linii,
odpowiadaj¹cej czêstotliwoœci danej harmonicznej, spadków
napiêæ, zniekszta³caj¹cych napiêcie sieci. Nale¿y te¿ mieæ na
uwadze fakt, ¿e po pod³¹czeniu do linii o odkszta³conym
napiêciu odbiornika nieliniowego, w pr¹dzie pobieranym przez
ten odbiornik wyst¹pi¹ wy¿sze harmoniczne wywo³ane przez
jego nieliniowoœæ oraz wy¿sze harmoniczne, wywo³ane
odkszta³ceniami napiêcia, pochodz¹cymi od innych odbior-
ników, przy czym rzêdy wy¿szych harmonicznych pr¹du
„generowanych” przez nieliniowoœæ odbiornika i odkszta³cenie
napiêcia mog¹ byæ ró¿ne. Odpowiednie normy [31], [33] podaj¹
dopuszczalne wartoœci sk³adowych harmonicznych napiêcia
i pr¹du w sieciach niskiego napiêcia oraz w sieciach o napiê-
ciach do 400 kV. Przyjmuje siê, ¿e w sieciach jednofazowych
niskiego napiêcia 200 V ÷ 260 V) o czêstotliwoœci 50 Hz
zastêpcza impedancja sieci zasilaj¹cej dla harmonicznej
n-tego rzêdu nie powinna przekraczaæ wartoœci Z

n

= (0,4 +

+ jn0,25)

W [9]. Wartoœæ sk³adowej harmonicznej n-tego rzêdu

napiêcia zale¿y od wartoœci harmonicznej rzêdu n pr¹du
p³yn¹cego w linii i zastêpczej impendacji linii dla tej harmo-
nicznej. Impendacja zastêpcza w danym punkcie systemu
zasilania decyduje o mocy zwarciowej S

zw

. St¹d te¿ odkszta³-

cenie napiêcia wywo³ane wy¿szymi harmonicznymi pr¹du
zale¿y od stosunku mocy pozornej odbiornika S

o

do mocy

zwarcia S

zw

. Nale¿y zaznaczyæ, ¿e przy wstêpnej ocenie

mo¿liwoœci przy³¹czenia odbiornika do sieci niskiego napiêcia
nale¿y kierowaæ siê relacj¹ S

o

/S

TR

£ 0,05 (gdzie S

TR

– moc

znamionowa transformatora œredniego i niskiego napiêcia,

PRZEGL¥D ELEKTROTECHNICZNY R. 81 NR 7-8/2005

!

PRZEGL¥D ELEKTROTECHNICZNY R. 81 NR 7-8/2005

"

zasilaj¹cego sieæ, do której pod³¹czony jest odbiornik o mo-
cy S

o

) [9].

Wy¿sze harmoniczne napiêcia sieci zasilaj¹cej s¹ przyczyn¹

dodatkowych strat mocy w generatorach, samej sieci (w tym
dodatkowego obci¹¿enia przewodów neutralnych), w apa-
raturze rozdzielczej, transformatorach, silnikach itp. prowadz¹c
do dodatkowego nagrzewania siê tych urz¹dzeñ, obni¿ania
sprawnoœci energetycznej i wreszcie do przyspieszonego
starzenia. Odkszta³cenia napiêcia sieci mog¹ te¿ przyczyniaæ
siê do powstawania niekorzystnych zjawisk rezonansowych
miêdzy sieci¹, filtrami, liniami kablowymi itp. Do redukcji
odkszta³ceñ napiêcia sieci nadal powszechnie stosuje siê
pasywne filtry LC, a ostatnio tak¿e ró¿ne wersje energo-
elektronicznych filtrów aktywnych (dynamicznych) – szerego-
wych, równoleg³ych, hybrydowych.

l Interharmoniczne napiêcia linii zasilaj¹cej s¹ sk³adowymi

sinusoidalnymi o czêstotliwoœciach zawartych pomiêdzy
czêstotliwoœciami sk³adowych harmonicznych. Oznacza to,
¿e czêstotliwoœci sk³adowych interharmonicznych nie s¹
ca³kowit¹ krotnoœci¹ czêstotliwoœci podstawowej harmonicznej.
Poziom sk³adowych interharmonicznych w sieci sukcesywnie
wzrasta wskutek zwiêkszaj¹cej siê liczby zainstalowanych
bezpoœrednich przemienników czêstotliwoœci i podobnych
urz¹dzeñ energoelektronicznych (przekszta³tniki matrycowe,
sterowniki napiêcia przemiennego itp.). Interharmoniczne
niskich rzêdów, nawet o bardzo ma³ych amplitudach, s¹
przyczyn¹ migotania œwiat³a. Ca³kowite wyeliminowanie
wp³ywu interharmonicznych na pracê innych urz¹dzeñ
elektrycznych jest mo¿liwe tylko w przypadku zastosowania
filtrów aktywnych b¹dŸ uk³adów bezprzerwowego zasilania.

l Niesymetria odnosi siê do sieci trójfazowych i oznacza

stan, w którym wartoœci skuteczne napiêæ fazowych lub/ i k¹ty
przesuniêcia fazowego miêdzy napiêciami poszczególnych
faz nie s¹ jednakowe. Miar¹ tego zaburzenia, wynikaj¹cego
z asymetrycznego obci¹¿enia linii, jest wskaŸnik zawartoœci
sk³adowych symetrycznych kolejnoœci przeciwnej i zerowej
w stosunku do sk³adowej symetrycznej kolejnoœci zgodnej.
Niesymetrii mo¿na zapobiec rozdzielaj¹c odpowiednio
odbiorniki pomiêdzy fazy b¹dŸ stosuj¹c uk³ady wyrównuj¹ce
obci¹¿enie poszczególnych faz sieci. W szczególnych
przypadkach symetriê obci¹¿enia, przy niesymetrycznym
odbiorniku trójfazowym, mo¿na uzyskaæ poprzez zastosowanie
odpowiednich filtrów aktywnych [12], [14], [27].

Energoelektroniczne uk³ady poprawy jakoœci
energii elektrycznej

W wiêkszoœci przypadków poprawa jakoœci energii w danym

punkcie systemu elektroenergetycznego polega nie na
usuniêciu g³ównej przyczyny (np. eliminacji odbiorników
nieliniowych), ale na „ratowaniu sytuacji” poprzez instalowanie
ró¿nego rodzaju filtrów, symetryzatorów i kompensatorów.
Jest oczywiste, ¿e z punktu widzenia oddzia³ywania na
elektroenergetyczny system zasilania po¿¹danym jest, aby
odbiorniki by³y liniowe, symetryczne i mia³y charakter czysto
rezystancyjny. St¹d te¿ bardzo wa¿n¹ rolê w d¹¿eniu do
poprawy jakoœci energii odgrywaj¹ producenci odbiorników,
w szczególnoœci tych, które do tej pory stanowi³y i stanowi¹
najwiêksze Ÿród³o zaburzeñ przewodzonych, tzn. ró¿nego
rodzaju przekszta³tniki diodowe i tyrystorowe w zastosowaniach
metalurgicznych czy chemicznych, uk³ady zasilania w trans-
porcie kolejowym, piece ³ukowe, transformatory, liczne
urz¹dzenia niskonapiêciowe jedno- i trójfazowe. Za najbardziej
racjonalne nale¿y wiêc uznaæ postêpowanie w myœl zasady
„lepiej zapobiegaæ ni¿ leczyæ”, co sprowadza siê do
instalowania odbiorników o liniowych charakterystykach
napiêciowo-pr¹dowych i nastawianej (w szczególnych przy-

padkach równej zeru) mocy biernej b¹dŸ te¿ do zasilania
odbiorników nieliniowych nie bezpoœrednio z sieci, ale poprzez
zintegrowane z nimi urz¹dzenia energoelektroniczne,
zapewniaj¹ce wysok¹ jakoœæ energii dostarczanej zarówno
do odbiornika, jak i pobieranej z sieci.

D¹¿enie do zachowania wysokiej jakoœci energii dostêpnej

w sieci elektroenergetycznej stanowi jedno z podstawowych
wyzwañ dla wspó³czesnej energoelektroniki.

Spoœród urz¹dzeñ stosowanych w celu szeroko rozumianej

poprawy jakoœci energii elektrycznej (okreœlanej te¿ w nie-
których publikacjach za literatur¹ anglosask¹ mianem „kon-
dycjonowania energii” – power line conditioning), w których
istotn¹ rolê odgrywaj¹ uk³ady i podzespo³y energoelektronicz-
ne, na szczególn¹ uwagê zas³uguj¹:
– równoleg³e, szeregowe, szeregowo-równoleg³e i hybrydowe

filtry aktywne, zwane te¿ filtrami dynamicznymi (shunt, series,
hybrid active power filters, dynamic filters – APF),

– statyczne kompensatory energii biernej (static compensator

– STAT COM),

– szeregowe synchroniczne kompensatory statyczne (series

synchronous static compensator – SSSC),

– regulatory przep³ywu mocy (unified power flow controllers –

UPFC), a w tym elastyczne systemy przesy³owe (flexible AC
transmission system – FACTS) oraz miêdzysystemowe
regulatory przep³ywu mocy (interline power flow controllers
– IPFC),

– kompensatory mocy udarowej (dynamic compensators),
– energoelektroniczne sprzêgi miêdzy rozproszonymi Ÿród³ami

lub zasobnikami energii a lini¹ elektroenergetyczn¹, oraz
przekszta³tniki sieciowe PWM o nastawianym wspó³czynniku
mocy, zastêpuj¹ce dotychczas stosowane przekszta³tniki
diodowe b¹dŸ sterowane fazowo przekszta³tniki tyrystorowe,
charakteryzuj¹ce siê niekorzystnym wp³ywem na sieæ
zasilaj¹c¹.

Oddzieln¹ grupê urz¹dzeñ stanowi¹ uk³ady bezprzer-

wowego zasilania (UPS), których zadaniem jest przede
wszystkim zapewnienie ci¹g³oœci zasilania.

Nowoczesne urz¹dzenia energoelektroniczne, zasilane

z linii pr¹du przemiennego, wykazuj¹c cechy odbiornika
liniowego, powinny pobieraæ pr¹d o kszta³cie zbli¿onym do
sinusoidy. Do uk³adów spe³niaj¹cych ten warunek nale¿¹
sieciowe przekszta³tniki impulsowe (switch mode power
supplies – SMPS, switch mode rectifier – SMR), wykorzys-
tywane jako regulowane Ÿród³a napiêcia lub pr¹du sta³ego
i stanowi¹ce w wielu przypadkach czêœæ sk³adow¹ bardziej
z³o¿onych przemienników czêstotliwoœci. Dziêki zastosowaniu
do ich budowy nowoczesnych pó³przewodnikowych elementów
w pe³ni sterowalnych, takich jak tranzystory IGBT czy tyrystory
GTO lub IGCT, pracuj¹cych przy czêstotliwoœciach ³¹czeñ
1÷10 kHz i sterowanych w technice modulacji szerokoœci
impulsów (pulse width modulation – PWM) pr¹d pobierany
z linii przez te urz¹dzenia jest zbli¿ony do sinusoidy.

Na rysunku 1 przedstawiono uk³ady przekszta³tników

impulsowych, zasilanych z sieci jednofazowej. W uk³adzie
z rysunku 1a jednotranzystorowy przekszta³tnik podwy¿szaj¹cy
napiêcie, w³¹czony miêdzy prostownik diodowy a kondensator
filtru jest nazywany korektorem wspó³czynnika mocy (power
factor corrector – PFC). Pr¹d pobierany z linii zasilaj¹cej (b¹dŸ
z transformatora) jest bardzo zbli¿ony do sinusoidy, a stopieñ
jego odkszta³cenia zale¿y od rodzaju zastosowanych uk³adów
steruj¹cych [10]. Prostownik impulsowy z rysunku 1a umo¿liwia
przep³yw energii tylko w jednym kierunku (od sieci do odbiornika
pr¹du sta³ego) i jest coraz czêœciej stosowany do zasilania
ró¿nego rodzaju urz¹dzeñ ma³ej mocy, a w tym sprzêtu
elektronicznego, komputerów, kompaktowych Ÿróde³ œwiat³a,
³adowarek akumulatorowych itp. Chocia¿ moc jednostkowa

tego typu zasilaczy impulsowych jest niewielka, to ogromna
ich liczba sprawia, ¿e wnosz¹ one istotny wk³ad w dzia³ania
zwi¹zane z popraw¹ jakoœci energii.

Uk³ad z rysunku 1b umo¿liwia dwukierunkowy przep³yw

energii przy zachowaniu sinusoidalnego pr¹du pobieranego
z sieci, którego k¹t przesuniêcia fazowego w stosunku do
napiêcia sieci mo¿e byæ nastawiany w zakresie ±

p.

W grupie przekszta³tników impulsowych zasilanych z sieci

trójfazowej rozwijane s¹ dwie dualne wzglêdem siebie wersje
struktur: z obwodem wyjœciowym o charakterze Ÿród³a napiêcia
sta³ego (rys. 2) i Ÿród³a pr¹du sta³ego (rys. 4). Oba typy
przekszta³tników zapewniaj¹ dwukierunkowy przep³yw energii.
W uk³adach napiêciowych, o w³aœciwoœciach podwy¿szaj¹cych
napiêcie (boost converter, PWM voltage output rectifier)
odbywa siê to przy zachowaniu sta³ej polaryzacji napiêcia
wyjœciowego, a w przypadku uk³adów pr¹dowych, o zdolno-

œciach obni¿ania napiêcia (buck converter, PWM current type
rectifier), zmiana kierunku przep³ywu energii nastêpuje poprzez
zmianê polaryzacji napiêcia przy zachowaniu sta³ego kierunku
pr¹du wyprostowanego (rys. 2c i 4c).

Trójfazowy przekszta³tnik z wyjœciem napiêciowym jest

jednym z najczêœciej stosowanych zasilaczy napiêcia sta³ego
(rys. 2a), szczególnie w odniesieniu do uk³adów napêdowych
z przemiennikami czêstotliwoœci o napiêciowych obwodach
poœrednicz¹cych. Obwód g³ówny tego przekszta³tnika sk³ada
siê z trzech ga³êzi, z³o¿onych z tranzystorów IGBT z diodami
zwrotnymi, a w przypadkach wiêkszych mocy z tyrystorów
wy³¹czalnych GTO lub IGCT [19]. Przy praktycznie uzyskiwanej
czêstotliwoœci ³¹czeñ od 1 do 10 kHz, na wejœciu przekszta³tnika
od strony linii napiêcia przemiennego kszta³towana jest fala
napiêcia PWM, której podstawowa harmoniczna mo¿e byæ
praktycznie bezinercyjnie sterowana zarówno co do amplitudy,
jak i fazy wzglêdem napiêcia linii zasilaj¹cej.

D³awiki w³¹czone pomiêdzy wejœciem przekszta³tnika a lini¹

pr¹du przemiennego stanowi¹ integraln¹ czêœæ uk³adu,
zapewniaj¹c obwodowi wejœciowemu charakter Ÿród³a pr¹du
i nadaj¹c przekszta³tnikowi w³aœciwoœci podwy¿szaj¹ce
napiêcie. Nale¿y zaznaczyæ, ¿e minimalna wartoœæ napiêcia
wyjœciowego jest w tym uk³adzie równa amplitudzie napiêæ
miêdzyprzewodowych linii zasilaj¹cej. O wartoœci pr¹du
pobieranego z linii decyduje ró¿nica napiêcia linii U

L

i napiêcia

wejœciowego przekszta³tnika U

s

, wystêpuj¹ca na d³awikach.

Oddzia³uj¹c poprzez uk³ad sterowania na k¹t fazowy

Y i modu³

wskazu napiêcia U

s

nastawia siê poœrednio fazê i amplitudê

pr¹du linii I

L

. Tym samym podlega sterowaniu wartoœæ œrednia

i znak pr¹du wyprostowanego I

d

i odpowiadaj¹ca temu pr¹dowi

wartoœæ mocy czynnej przep³ywaj¹cej przez przekszta³tnik.
Niezale¿nie od wartoœci mocy czynnej, mo¿e byæ sterowana
wartoœæ mocy biernej zwi¹zanej z przesuniêciem fazowym
podstawowej harmonicznej pr¹du I

L

w odniesieniu do napiêcia

U

L

. Czêstotliwoœæ f

M

harmonicznej podstawowej napiêcia

i pr¹du wejœciowego przekszta³tnika jest sta³a (50 Hz), co
pozwala na zachowanie sta³ej czêstotliwoœci prze³¹czeñ f

s

elementów pó³przewodnikowych prostownika. Przy czêsto-

PRZEGL¥D ELEKTROTECHNICZNY R. 81 NR 7-8/2005

#

Rys. 1. Prostowniki jednofazowe o wspó³czynniku mocy bliskim
jednoœci: a) uk³ad o jednokierunkowym przep³ywie energii; b) uk³ad
o dwukierunkowym przep³ywie; c) typowe przebiegi napiêcia i pr¹du
w linii zasilaj¹cej

Rys. 2. Impulsowy przekszta³tnik sieciowy PWM z obwodem wyj-
œciowym napiêcia sta³ego: a) schemat; b) wykres wskazowy przy

j = 0; c) obszar charakterystyk wyjœciowych

Rys. 3. Przyk³adowe uzyskane drog¹ symulacji przebiegi napiêæ
fazowych i pr¹dów w przekszta³tniku impulsowym: a) w obwodzie
wejœciowym; b) w obwodzie wyjœciowym napiêcia sta³ego

Rys. 4. Impulsowy przekszta³tnik sieciowy PWM z obwodem wyj-
œciowym pr¹du sta³ego: a) schemat; b) wykres wskazowy przy

j = 0;

c) obszar charakterystyk wyjsciowych

Rys. 5. Przyk³adowe uzyskane drog¹ symulacji przebiegi napiêæ
fazowych i pr¹dów w przekszta³tniku impulsowym: a) w obwodzie
wejœciowym; b) w obwodzie wyjœciowym napiêcia sta³ego

tliwoœci ³¹czeñ f

s

= 1÷10 kHz pierwszego znacz¹cego pasma

w spektrum harmonicznych pr¹du linii nale¿y oczekiwaæ dla
f = (20÷200)f

M

. Dziêki d³awikom wejœciowym pr¹d ten (rys. 3)

daje siê ³atwo wyfiltrowaæ tak, ¿e wspó³czynnik odkszta³cenia
THD nie przekracza w praktyce wartoœci 5% (dla porównania
wartoœæ tego wspó³czynnika dla trójfazowego mostka dio-
dowego wynosi ok. 30%).

W szeregu zastosowañ, wymagaj¹cych zmian wartoœci

napiêcia wyprostowanego w szerokich granicach, ³¹cznie ze
zmian¹ jego polaryzacji, wykorzystuje siê przekszta³tniki,
których obwód wyjœciowy ma charakter Ÿród³a pr¹dowego
(rys. 4) [20]. W tego typu przekszta³tnikach, ³¹czniki pó³-
przewodnikowe, sterowane przy wykorzystaniu techniki
modulacji szerokoœci impulsów musz¹ wykazywaæ zdolnoœæ
przewodzenia pr¹du jednokierunkowego i blokowania napiêæ
dwukierunkowych. W³aœciwoœci takie uzyskuje siê poprzez
szeregowe po³¹czenie elementu w pe³ni sterowalnego
(tranzystor IGBT, tyrystory GTO, IGCT) i diody, której zadaniem
jest blokowanie napiêæ wstecznych. Napiêcie wyprostowane
przekszta³tnika, sk³adaj¹ce siê z fragmentów napiêæ
kondensatorów filtru L

f

–C

f

(zbli¿onych do napiêæ linii zasilaj¹cej)

jest doprowadzone do obwodu wyjœciowego, zawieraj¹cego
d³awik o du¿ej indukcyjnoœci, zapewniaj¹cej ci¹g³oœæ pr¹du
wyprostowanego. Pr¹dy wejœciowe i

w

przekszta³tnika maj¹

kszta³t dodatnich i ujemnych impulsów prostok¹tnych
o modulowanych szerokoœciach. Zadaniem filtru sieciowego
L

f

–C

f

jest t³umienie przepiêæ, które wyst¹pi³yby na induk-

cyjnoœciach linii zasilaj¹cej w wyniku poboru impulsowego
pr¹du i

w

oraz jak najlepsze odfiltrowanie wy¿szych harmo-

nicznych pr¹du i

L

linii zasilaj¹cej (rys. 5). Regulacjê wartoœci

pr¹du wyjœciowego I

d

uzyskuje siê przez wprowadzanie

w stan przewodzenia jednoczeœnie dwóch ³¹czników w tej
samej ga³êzi fazowej przekszta³tnika. Stany te, zwane tak¿e
stanami zwarcia, musz¹ wystêpowaæ w okreœlonej sekwencji,
a czasy ich trwania decyduj¹ o wartoœci œredniej napiêcia
wyprostowanego przekszta³tnika. Napiêcie to mo¿e byæ
równie¿ regulowane przez wykorzystanie sterowania fazowego
z tym, ¿e dziêki mo¿liwoœci wy³¹czania ³¹czników w dowolnych
chwilach, przesuniêcie

j miêdzy napiêciem linii i pr¹dem

wejœciowym przekszta³tnika (5b) mo¿e byæ zmieniane w za-
kresie ±

p, umo¿liwiaj¹c tak¿e oddzia³ywanie na sk³adow¹

czynn¹ i biern¹ pr¹du linii zasilaj¹cej.

W przypadku urz¹dzeñ o du¿ych mocach i napiêciach

znamionowych z zakresu napiêæ œrednich (6 kV) stosowane
s¹ tzw. przekszta³tniki wielopoziomowe i to zarówno w wersji

napiêciowej (rys. 6a), jak i pr¹dowej (rys. 7a). Nazwa
przekszta³tników napiêciowych wywodzi siê z liczby poziomów
impulsów napiêcia przemiennego, mierzonego miêdzy
fazowym zaciskiem mostka a biegunem ujemnym napiêcia
sta³ego. Zasadnicz¹ zalet¹ tych uk³adów jest korzystna relacja
miêdzy wartoœci¹ napiêcia sta³ego a napiêciem wystêpuj¹cym
na elementach pó³przewodnikowych uk³adu oraz wysoka
jakoœæ krzywej przebiegów wartoœci chwilowych pr¹dów linii
zasilaj¹cej. Wartoœæ wspó³czynnika THD tych pr¹dów jest
kilkakrotnie ni¿sza w porównaniu z uk³adem dwupoziomowym
(rys. 2). W przedstawionej na rys. 6a najczêœciej spotykanej
wersji uk³adu trójpoziomowego z tzw. diodami poziomuj¹cymi
maksymalne napiêcia chwilowe wystêpuj¹ce na ³¹cznikach
pó³przewodnikowych s¹ równe U

d

/2 [10], [15]. Przy danej

klasie napiêciowej elementów pó³przewodnikowych pozwala
to na budowê urz¹dzeñ o du¿ych mocach, uzyskiwanych dziêki
podwy¿szeniu napiêæ znamionowych.

Zwiêkszenie mocy znamionowej urz¹dzeñ energoelek-

tronicznych wspó³pracuj¹cych z lini¹ pr¹du przemiennego
poprzez wzrost ich pr¹du znamionowego uzyskuje siê dziêki
³¹czeniu równoleg³emu przekszta³tników sk³adowych. Na
rysunku 7a przedstawiono uk³ad z³o¿ony z dwóch równolegle
po³¹czonych trójfazowych przekszta³tników o charakterze
pr¹dowym. Zastosowanie takiego uk³adu jest uzasadnione
wszêdzie tam, gdzie dopuszczalna obci¹¿alnoœæ pojedynczego
przekszta³tnika sk³adowego nie jest wystarczaj¹ca. Dziêki
zsynchronizowaniu i odpowiedniemu sposobowi modulacji
szerokoœci impulsów obu modu³ów mostkowych uzyskuje siê
efekt zwielokrotnienia czêstotliwoœci oraz zwiêkszenia liczby
poziomów impulsów wypadkowego pr¹du wejœciowego
przekszta³tnika, co z kolei umo¿liwia obni¿enie czêstotliwoœci
prze³¹czeñ poszczególnych ³¹czników pó³przewodnikowych
i tym samym zredukowanie ³¹czeniowych strat mocy.
Wielopoziomowy kszta³t impulsów pr¹dów przemiennych
przekszta³tnika (rys.7b) wp³ywa korzystnie na ich spektrum
harmonicznych, co pozwala na zmniejszenie gabarytów filtru
wejœciowego w porównaniu z uk³adem jednomostkowym
(rys. 4) [25]. Po³¹czenie równoleg³e przekszta³tników, sta-
nowi¹cych oddzielne modu³y, pozwala na budowê urz¹dzeñ
o zwiêkszonej niezawodnoœci, przy zachowaniu zasadniczej
zalety, jak¹ jest mo¿liwoœæ regulacji napiêcia wyprostowanego

PRZEGL¥D ELEKTROTECHNICZNY R. 81 NR 7-8/2005

$

Rys. 6. Trójfazowy , trójpoziomowy przekszta³tnik napiêciowy z diodami
poziomuj¹cymi: a) schemat uk³adu; b) napiêcie fazowe i miêdzyfazowe
przekszta³tnika

Rys. 7. Trójfazowy, trójpoziomowy przekszta³tnik pr¹dowy PWM:
a) schemat uk³adu z³o¿onego z dwóch równolegle po³¹czonych
mostków trójfazowych; b) pr¹d wejœciowy sumaryczny (na górze)
i pr¹d wejœciowy jednego z mostków (na dole)

PRZEGL¥D ELEKTROTECHNICZNY R. 81 NR 7-8/2005

%

w szerokich granicach, ³¹cznie ze zmian¹ polaryzacji tego
napiêcia.

Przedstawione struktury trójfazowych przekszta³tników

PWM z obwodami wyjœciowymi o charakterze napiêciowym
(U-PWM) i pr¹dowym (I-PWM) s¹ wykorzystywane nie tylko
do budowy urz¹dzeñ zasilaj¹cych, ale tak¿e do realizacji
wiêkszoœci z wymienionych wczeœniej urz¹dzeñ energoelek-
tronicznych, s³u¿¹cych do szeroko rozumianej poprawy jakoœci
energii elektrycznej. Mo¿liwoœæ zastosowania przekszta³tników
U-PWM i I-PWM w tych urz¹dzeniach wynika przede wszystkim
z faktu, ¿e maj¹ one w³aœciwoœæ dwukierunkowego prze-
kazywania energii elektrycznej przy jednoczesnej mo¿liwoœci
kszta³towania przebiegów wartoœci chwilowych pr¹dów
przemiennych, które w zale¿noœci od potrzeby mog¹, ale nie
musz¹ byæ sinusoidalne.

Najczêœciej stosowan¹ w praktyce metod¹ istotnego

zmniejszenia niepo¿¹danych sk³adowych pr¹dów pobieranych
z sieci przez ró¿nego rodzaju odbiorniki niekorzystnie
oddzia³uj¹ce na liniê zasilaj¹c¹ jest filtracja równoleg³a [5],
[12], [24], [27]. Na rysunku 8a i b przedstawiono sposób
wykorzystania przekszta³tników energoelektronicznych jako
tzw. aktywnych filtrów równoleg³ych (ang. shunt active power
filter), w³¹czanych równolegle do kompensowanego odbiornika,
pobieraj¹cego odkszta³cony pr¹d i

o

. Kondensatory b¹dŸ d³awiki

w obwodach pr¹du sta³ego tych przekszta³tników pe³ni¹ rolê
magazynów energii chwilowej, cyklicznie uzupe³nianej
i oddawanej poprzez przekszta³tnik do sieci tak, ¿e w stanie
pracy ustalonej filtru wartoœæ œrednia wymienianej energii jest
równa zeru, co oznacza jednoczeœnie brak przep³ywu mocy
czynnej. Korzystaj¹c z klasycznej teorii mocy Budeanu, przy
za³o¿eniu sinusoidalnego przebiegu napiêcia sieci, w pr¹dzie
odbiornika i

o

mo¿na wydzieliæ sk³adow¹ czynn¹ podstawowej

harmonicznej pr¹du i

p1

oraz sk³adow¹ biern¹ (nieu¿yteczn¹)

i

QK

, zawieraj¹c¹ sk³adow¹ biern¹ przesuniêcia fazowego

podstawowej harmonicznej i

Q1

oraz sk³adow¹ odkszta³cenia

(deformacji) i

D

, bêd¹c¹ sum¹ wszystkich wy¿szych harmo-

nicznych pr¹du i

o

.

Jeœli równoleg³y filtr aktywny bêdzie dostarczaæ pr¹d

i

QK

= i

Q1

+ i

D

, to wówczas pr¹d i

L

pobierany przez zespó³

z³o¿ony z kompensowanego odbiornika i równoleg³ego filtru
aktywnego bêdzie równy sk³adowej czynnej pr¹du odbiornika,
a wiêc dla linii zasilaj¹cej bêdzie obci¹¿eniem o charakterze
rezystancyjnym. Filtr aktywny, który w takim przypadku spe³nia
równie¿ funkcjê kompensatora mocy biernej przesuniêcia
fazowego podstawowej harmonicznej pr¹du, powinien byæ
Ÿród³em pr¹du o œciœle okreœlonym przebiegu czasowym,
zale¿nym od stopnia odkszta³cenia pr¹du odbiornika. Do
wyznaczenia tego przebiegu najczêœciej korzysta siê z algo-
rytmu, wynikaj¹cego z teorii mocy chwilowej zaproponowanej
przez H. Akagi [1], [8], [13]. Dok³adnoœæ odwzorowania
wymaganej wartoœci chwilowej pr¹du filtru aktywnego jest tym
wiêksza, im wiêksza jest czêstotliwoœæ prze³¹czeñ elementów
pó³przewodnikowych przekszta³tnika. Dlatego przekszta³tniki
pe³ni¹ce rolê filtrów aktywnych (tzn. s³u¿¹ce do kompensacji
mocy biernej przesuniêcia fazowego i mocy odkszta³cenia) s¹
realizowane za pomoc¹ tranzystorów mocy IGBT, umo¿li-
wiaj¹cych prze³¹czanie z czêstotliwoœci¹ wiêksz¹ ni¿ 3 kHz,
a ich moce nie przekraczaj¹ 1 MVAr.

Filtry aktywne, bêd¹ce Ÿród³em tylko sk³adowej i

Q1

pr¹du

odbiornika, pe³ni¹ rolê kompensatorów mocy biernej
przesuniêcia fazowego (ang. static var compensator –
STATCOM). Do kompensacji du¿ych mocy biernych prze-
suniêcia fazowego, liczonych w setkach MVAr, s³u¿¹ prze-
kszta³tniki wielopoziomowe, realizowane przy u¿yciu tyrystorów
wy³¹czalnych GTO lub IGCT, których czêstotliwoœci prze³¹czeñ
nie przekraczaj¹ 2 kHz. Nale¿y dodaæ, ¿e aktywne filtry
równoleg³e umo¿liwiaj¹ tak¿e symetryzacjê obci¹¿enia oraz
kompensacjê sk³adowej przeciwnej pr¹du odbiornika przy
niesymetrycznym napiêciu linii [12], [24]. Ich skutecznoœæ nie
zale¿y od impedancji linii zasilaj¹cej i s¹ szczególnie zalecane
w przypadku odbiorników o du¿ej impedancji, które mog¹ byæ
traktowane jako Ÿród³a wy¿szych harmonicznych pr¹du [14].

Filtry równoleg³e trac¹ swoj¹ efektywnoœæ dzia³ania

w przypadku, gdy kompensowany odbiornik ma charakter
Ÿród³a wy¿szych harmonicznych napiêcia. Takie w³aœciwoœci
ma ogromna liczba odbiorników elektronicznych, jak np. sprzêt
radiowo-telewizyjny, sprzêt komputerowy, nowoczesne Ÿród³a
œwiat³a, przekszta³tnikowe uk³ady napêdowe z poœred-
nicz¹cymi obwodami napiêcia sta³ego itp., które od strony linii
zasilaj¹cej s¹ wyposa¿one w prostowniki z filtrami o bardzo
du¿ych pojemnoœciach, s³u¿¹cych do filtracji napiêcia wy-
prostowanego [17], [24]. Odkszta³cenie napiêcia w punkcie
pod³¹czenia tego typu odbiorników mo¿e byæ skutecznie
zredukowane b¹dŸ wyeliminowane dziêki zastosowaniu
aktywnych filtrów szeregowych (rys. 8c). Mog¹ byæ one
traktowane jako Ÿród³o sk³adowych harmonicznych napiêcia
u

F

, które po dodaniu do napiêcia linii u

L

, czêœciowo od-

kszta³conego z powodu niesinusoidalnoœci pr¹du linii, zapewnia
kompensacjê wy¿szych harmonicznych napiêcia panuj¹cego
na zaciskach odbiornika u

o

. Przy zast¹pieniu kondensatora

C

K

napiêciowym Ÿród³em energii i zastosowaniu odpowied-

niego uk³adu steruj¹cego filtry te mog¹ pe³niæ tak¿e funkcjê
stabilizatorów i symetryzatorów napiêcia odbiornika [2], [3],
[5], [14], [18].

Uk³ad o strukturze filtru szeregowego jest tak¿e wyko-

rzystywany w systemach elektroenergetycznych jako tzw.
kompensator szeregowy (ang. static synchronous series
compensator – SSSC). W takim przypadku podstawowa

Rys. 8. Energoelektroniczne filtry aktywne: a) i b) filtry równoleg³e
realizowane za pomoc¹ przekszta³tnika napiêciowego U-PWM (a)
i pr¹dowego I-PWM (b); c) filtr szeregowy; d) filtr szeregowo-równoleg³y

harmoniczna napiêcia wyjœciowego przekszta³tnika typu
U-PWM jest, poprzez transformator szeregowy, dodawana do
napiêcia linii przesy³owej. Z uwagi na brak w uk³adzie filtru
Ÿród³a energii, wektor napiêcia dodawczego u

F

jest zawsze

prostopad³y do wektora pr¹du linii tak, ¿e uzwojenie dodawcze
reprezentuje sob¹ reaktancjê, która mo¿e byæ zmieniana
bezinercyjnie i przyjmowaæ charakter indukcyjny b¹dŸ
pojemnoœciowy. Dziêki temu uzyskuje siê mo¿liwoœæ
kompensacji, czyli zmniejszenia zastêpczej reaktancji uk³adu
przesy³owego, a tak¿e oddzia³ywania na przep³yw mocy
czynnej i biernej (przesuniêcia fazowego) w stanach ustalonych
i pozak³óceniowych, co pozwala na t³umienie ko³ysañ mocy
[6], [18], [21], [23].

W przypadku koniecznoœci kompensacji, obejmuj¹cej grupê

odbiorników nieliniowych o w³aœciwoœciach Ÿróde³ wy¿szych
harmonicznych napiêcia, jak i pr¹du, a tak¿e charakteryzuj¹cych
siê zmienn¹ w szerokich granicach reaktancj¹, zaleca siê
stosowanie aktywnych filtrów szeregowo-równoleg³ych (rys.
8d), które s¹ w stanie pe³niæ rolê kompensuj¹c¹ w odniesieniu
do niepo¿¹danych sk³adowych pr¹du i napiêcia odbiornika.
Przy odpowiednim sterowaniu aktywne filtry szeregowo-
-równoleg³e mog¹ wp³ywaæ bezpoœrednio na poprawê jakoœci
energii elektrycznej w miejscu pod³¹czenia kompensowanych
odbiorników poprzez filtrowanie wy¿szych harmonicznych
pr¹dów i napiêæ, kompensowanie spadków napiêæ na linii
zasilaj¹cej, stabilizacjê napiêcia na zaciskach odbiornika,
a tak¿e poprzez symetryzacjê pr¹dów przewodowych Ÿród³a
zasilania [14], [24].

W zakresie wielkich mocy, uk³ady o strukturze filtrów

szeregowo-równoleg³ych s¹ wykorzystywane w energetyce
jako tzw. zunifikowane sterowniki przep³ywu energii (ang.
unified power flow controller – UPFC) [5], [6], [21]. Stanowi¹
one najbardziej rozwiniêt¹ i jednoczeœnie najnowoczeœniejsz¹,
charakteryzuj¹c¹ siê wszechstronnymi mo¿liwoœciami
regulacyjnymi, postaæ elastycznych systemów przesy³u pr¹du
przemiennego (ang. flexible AC transmission systems –
FACTS). Pojêcie wszechstronnoœci (uniwersalnoœci) oznacza
w tym przypadku, ¿e struktura szeregowo-równoleg³a wykazuje
zdolnoœci uk³adu UPFC do regulacji napiêæ, mocy czynnej
i biernej, a przede wszystkim do regulacji przep³ywów energii
w sieci przesy³owej, ukierunkowania przep³ywów miêdzy-

systemowych oraz t³umienia ko³ysañ mocy. Wynika to st¹d,
¿e wartoœæ energii przesy³anej miêdzy dwoma systemami
elektroenergetycznymi zale¿y od iloczynu modu³ów wektorów
napiêæ obu systemów U

1

i U

2

(rys. 9a) i sinusa k¹ta miêdzy

tymi wektorami i odwrotnie proporcjonalna do reaktancji linii
X

L

. Regulacjê przep³ywu mocy uzyskuje siê dziêki mo¿liwoœci

oddzia³ywania poprzez UPFC na modu³ i fazê napiêcia U

F

. Ta

sama w³aœciwoœæ jest wykorzystywana w miêdzysystemowych
sterownikach przesy³u mocy (ang. interline power flow
controller), przedstawionych na rys. 9b [24], [27].

Bardzo dobre w³aœciwoœci dynamiczne energoelektro-

nicznych uk³adów FACTS w zakresie t³umienia ko³ysañ mocy
s¹ godne szczególnej uwagi w obliczu rozwijaj¹cych siê
systemów zawieraj¹cych rozproszone Ÿród³a energii, które
charakteryzuj¹ siê du¿ymi zmianami wydolnoœci (np.
elektrownie wiatrowe). Wzrastaj¹ca liczba tych Ÿróde³ przy
jednoczesnym d¹¿eniu do optymalnego wykorzystania ich
chwilowych zasobów sprawia, ¿e mamy do czynienia
z systemami zawieraj¹cymi nie tylko niespokojne odbiorniki,
ale tak¿e niestacjonarne Ÿród³a energii. Rola uk³adów FACTS
w zapewnieniu stabilnej pracy takich systemów jest nie do
przecenienia. Nale¿y przy tym zaznaczyæ, ¿e realizowane
przez uk³ad funkcje zale¿¹ tylko od sposobu sterowania
(wykorzystuj¹cego z regu³y teoriê mocy chwilowej) i nie
wymagaj¹ ¿adnych zmian w konfiguracji obwodu energe-
tycznego, który w zakresie du¿ych mocy zawiera przekszta³tniki
energoelektroniczne o strukturze trójfazowych uk³adów
U-PWM wielopoziomowych.

W celu zminimalizowania mocy pozornej przekszta³tników

tworz¹cych filtry aktywne poprzez zmniejszenie napiêcia i/lub
pr¹du zaworów pó³przewodnikowych, stosowane s¹ tzw. filtry
hybrydowe, zawieraj¹ce oprócz przedstawionych aktywnych
filtrów szeregowych lub równoleg³ych równie¿ klasyczne
równoleg³e filtry pasywne, z³o¿one z dwójników LC. Filtry
hybrydowe wykazuj¹ bardzo dobr¹ skutecznoœæ w przypadku
kompensacji odbiorników nieliniowych, o zdeterminowanych
w³aœciwoœciach (np. diodowe lub tyrystorowe prostowniki du¿ej
mocy) i s¹ w takich przypadkach rozwi¹zaniami najbardziej
uzasadnionymi z ekonomicznego punktu widzenia [3], [14].

Zaprezentowane uk³ady s¹ zdolne do poprawy jakoœci

energii elektrycznej w miejscu zainstalowania odbiorników
pod warunkiem, ¿e Ÿród³o energii zapewnia ci¹g³oœæ jej
dostawy. W przypadku zaniku napiêcia linii, zapewnienie
ci¹g³oœci strumienia energii dostarczanej do odbiornika
wymaga zastosowania urz¹dzeñ, które musz¹ zawieraæ ma-
gazyny (zasobniki) energii takie jak akumulatory, super-
kondensatory, d³awiki nadprzewodnikowe, ogniwa paliwowe,
wysokoobrotowe pêdniki (ko³a zamachowe), a w zakresie
wielkich mocy w postaci zbiorników ze sprê¿onym powietrzem
lub zapór wodnych. W odniesieniu do najliczniejszej grupy
odbiorników niskich napiêæ w celu utrzymania ci¹g³oœci dostawy
energii elektrycznej stosowane s¹ urz¹dzenia rezerwowego
(bezprzerwowego) zasilania (ang. uninterruptible power
supplies – UPS), które poza zapewnieniem ci¹g³oœci zasilania
s³u¿¹ tak¿e do poprawy jakoœci energii w sensie stabilizacji
parametrów napiêcia przemiennego [22], [24]. Podstawow¹
strukturê typowego urz¹dzenia UPS z najczêœciej stosowanym
w praktyce magazynem energii w postaci baterii elektro-
chemicznej przedstawiono na rysunku 10.

Innym wymaganiem stawianym z kolei przez dostawców

energii elektrycznej, zwi¹zanym tak¿e z wysokoœci¹ taryfy
op³at za energiê, jest utrzymanie mo¿liwie równomiernego,
pozbawionego krótkotrwa³ych wzrostów, poboru energii
elektrycznej. Powtarzaj¹ce siê cyklicznie obci¹¿enia impulsowe
z regu³y s¹ przyczyn¹ zapadów napiêcia i zwi¹zanego z nimi
bardzo uci¹¿liwego dla cz³owieka zjawiska migotania œwiat³a.

PRZEGL¥D ELEKTROTECHNICZNY R. 81 NR 7-8/2005

&

Rys. 9. Energoelektroniczne uk³ady szeregowo-równoleg³e pe³ni¹ce
funkcje elastycznego systemu przesy³u pr¹du przemiennego (a)
i sterowniki przep³ywów miêdzysystemowych (b)

PRZEGL¥D ELEKTROTECHNICZNY R. 81 NR 7-8/2005

'

Brak udarów pobieranej mocy u³atwia te¿ w³aœciw¹ kom-
pensacjê i filtracjê napiêæ i pr¹dów. Idea kompensacji krótko-
trwa³ych udarów mocy czynnej, wywo³ywanych przez
specyficzne odbiorniki, jak np. urz¹dzenia zgrzewaj¹ce lub
dynamiczne napêdy, wi¹¿e siê z zastosowaniem zasobników,
gromadz¹cych energiê w czasie, gdy jej pobór przez odbiornik
jest ma³y i oddaj¹cych j¹ przy wzroœcie obci¹¿enia. Poza
stosowanymi w takim celu bateriami elektrochemicznymi
i nadprzewodz¹cymi zespo³ami magnetycznymi (ang. super-
conducting magnetic energy storage – SMES) brane s¹ pod
uwagê kondensatory, w tym tak¿e tzw. superkondensatory
o bardzo du¿ych pojemnoœciach, liczonych w tysi¹cach
faradów, charakteryzuj¹cych siê jednak niskimi dopusz-
czalnymi napiêciami (ok. 2,5 V). Wœród sposobów wykorzys-
tania kondensatorów jako magazynów energii, s³u¿¹cych do
wyrównywania poboru mocy czynnej przez odbiorniki
impulsowe mo¿na wskazaæ dwa rozwi¹zania. Pierwsze z nich,
o stosunkowo prostej realizacji technicznej, dotyczy odbior-
ników w postaci czêsto spotykanych w praktyce przemienników
czêstotliwoœci z wyodrêbnionym poœrednicz¹cym obwodem
napiêcia sta³ego. Schemat blokowy takiego uk³adu przed-
stawiono na rysunku 11, a jego w³aœciwoœci autorzy przedstawili
w pracy [22].

Warto zauwa¿yæ, ¿e wyrównywanie mocy w obwodzie

napiêcia sta³ego, przenosz¹ce siê na sieæ zasilaj¹c¹ prowadzi
tak¿e do wyrównywania poboru mocy biernej, co jest bardzo
korzystne z punktu widzenia urz¹dzeñ poprawiaj¹cych jakoœæ
energii elektrycznej. Bardziej kosztowne i z³o¿one, ale
zdecydowanie bardziej uniwersalne rozwi¹zania kompen-
satorów udarów mocy, zdolnych do bezpoœredniego
oddzia³ywana na sieæ napiêcia przemiennego przedstawiono
na rysunku 12 [16], [23].

W uk³adach z rysunków 12a i b wykorzystywane s¹

przekszta³tniki sieciowe PWM o charakterze napiêciowym,
sprzêgniête z kondensatorowym zasobnikiem energii za
pomoc¹ uk³adu obni¿aj¹co-podwy¿szaj¹cego napiêcie,
zapewniaj¹cego zarówno ³adowanie kondensatora C

m

jak

i jego roz³adowywanie przy zachowaniu niezmiennej polaryzacji

kondensatora. W przypadku przekszta³tnika sieciowego
trójpoziomowego (rys. 12b) uk³ad obni¿aj¹co-podwy¿szaj¹cy
nie tylko zapewnia dwukierunkowe przekazywanie energii
miêdzy magazynem C

m

a przekszta³tnikiem sieciowym PWM

i sieci¹, ale tak¿e umo¿liwia wyrównywanie napiêæ na
kondensatorowym dzielniku C

1

i C

2

, co jest warunkiem

koniecznym poprawnej pracy przekszta³tnika trójpoziomowego.
Uk³ady z przekszta³tnikiem sieciowym PWM o charakterze
pr¹dowym o strukturze pojedynczego mostka trójfazowego
b¹dŸ dwóch mostków równoleg³ych I-PWM z natury swojego
dzia³ania s¹ zalecane do bezpoœredniej wspó³pracy
z magazynami energii w postaci d³awików nadprzewodni-
kowych (rys. 12c), gdy¿ zarówno doprowadzanie energii do
d³awika, jak i jego roz³adowanie odbywa siê przy tym samym
kierunku pr¹du w d³awiku. Nale¿y zaznaczyæ, ¿e uk³ady
z pr¹dowymi przekszta³tnikami sieciowymi PWM o strukturze
zawieraj¹cej co najmniej dwa modu³y mostkowe po³¹czone
równolegle przy zastosowaniu odpowiedniej strategii modulacji
szerokoœci impulsów zapewniaj¹ wysok¹ jakoœæ przebiegu
wartoœci chwilowej pr¹du linii (THD < 2,5%) [28].

Istotn¹ trudnoœci¹ w stosowaniu superkondensatorów jako

dynamicznych magazynów energii jest niskie dopuszczalne
napiêcie pojedynczych elementów (ok. 2,5 V). Baterie z³o¿one
z tych kondensatorów, przeznaczone do wspó³pracy z ob-
wodami o napiêciu setek woltów, wymaga³yby szeregowego
³¹czenia setek elementów, co znacznie obni¿a³oby niezawod-
noœæ uk³adu i wi¹za³oby siê z problemem wyrównywania napiêæ
na poszczególnych elementach. Za poprawne nale¿y w tym
przypadku uznaæ zastosowanie przekszta³tnika sprzêgaj¹cego,
zawieraj¹cego transformator poœrednicz¹cy o przek³adni,
zapewniaj¹cej dopasowanie napiêciowe baterii superkon-
densatorów i obwodu napiêcia sta³ego przekszta³tnika
sieciowego U-PWM. Celowe jest przy tym przyjêcie pod-

Rys. 10. Podstawowa struktura urz¹dzenia bezprzerwowego zasilania
z bateri¹ akumulatorów jako zasobnikiem energii

Rys. 11. Schemat blokowy uk³adu z kompensatorem udarów mocy
w napiêciowym obwodzie pr¹du sta³ego (P1 – prostownik, P2 –
niezale¿ny falownik napiêcia lub inny odbiornik o impulsowym poborze
energii, P3 – dwukierunkowy przekszta³tnik jako sprzêg pomiêdzy
kondensatorowym magazynem energii i obwodem napiêcia sta³ego

Rys. 12. Trójfazowe uniwersalne kompensatory z sieciowymi prze-
kszta³tnikami PWM i magazynami energii: a) i b) uk³ady z napiêciowymi
przekszta³tnikami PWM i magazynem pojemnoœciowym, c) uk³ad
z przekszta³tnikiem pr¹dowym i magazynem nadprzewodnikowym

wy¿szonej czêstotliwoœci przetwarzania w obwodzie trans-
formatora poœrednicz¹cego, w celu uzyskania optymalnych
gabarytów i zapewnienia izolacji galwanicznej z zasady
zalecanej w tego rodzaju aplikacjach. Przyk³ad do³¹czenia
baterii superkondensatorów do subsystemu elektroenerge-
tycznego z zastosowaniem przekszta³tników sprzêgaj¹cych,
zawieraj¹cych poœrednicz¹ce obwody transformatorowe
œredniej czêstotliwoœci (20 kHz) przedstawiono na rysunku 13
[29].

Aktualnie w Instytucie Sterowania i Elektroniki Przemys³owej

Politechniki Warszawskiej prowadzone s¹ badania nad
opracowaniem przekszta³tników, które mog¹ znaleŸæ zas-
tosowanie w modu³owych zestawach, umo¿liwiaj¹cych
uzyskanie znacznej wartoœci magazynowanej energii, a tak¿e
du¿ej mocy tak, by mo¿na by³o u¿yæ superkondensatorów do
wyrównywania mocy i kompensacji zaburzeñ w systemach
elektroenergetycznych.

Uk³ad z rysunku 14a zawiera dwa jednofazowe falowniki

mostkowe, sprzê¿one za pomoc¹ transformatora, którego
przek³adnia napiêciowa jest dobrana na podstawie stosunku
napiêæ znamionowych obu Ÿróde³, pomiêdzy którymi nastêpuje
przekazywanie energii. Przebiegi wartoœci chwilowych napiêæ
wyjœciowych falowników, doprowadzonych do uzwojeñ
transformatora maj¹ kszta³ty synchronicznych prostok¹tnych
fal, przesuniêtych w fazie o k¹t

j, zale¿ny od wymaganej

wartoœci przekazywanej mocy czynnej miêdzy superkon-
densatorem C

s

a poœrednicz¹cym obwodem napiêcia sta³ego

U

dp

. Zmiana kierunku przep³ywu energii odbywa siê poprzez

zmianê zadanego k¹ta przesuniêcia fazowego

j z wartoœci

dodatnich na ujemne, co odpowiada zmianie znaku wartoœci
œredniej pr¹du superkondensatora.

W uk³adzie przedstawionym na rysunku 14b wystêpuj¹

równie¿ dwa falowniki i transformator, przy czym odmiennie
ni¿ w poprzednim kompensatorze w ka¿dym z mo¿liwych
stanów pracy tranzystory jednego z przekszta³tników s¹
sterowane, podczas gdy drugi z przekszta³tników pracuje jako
niesterowany prostownik. O tym, który z falowników jest
aktywny, decyduje kierunek przep³ywu energii. Do sterowania
wartoœci aktualnej mocy czynnej przy transferze energii s³u¿y
oddzielny przekszta³tnik (T

d1

, T

d2

), pe³ni¹cy rolê prostego

sterownika obni¿aj¹cego lub podwy¿szaj¹cego napiêcie sta³e.
W zaproponowanym przez autorów uk³adzie [29] zastosowano
synchroniczn¹ wzglêdem falowników pracê sterownika, przy
czym przesuniêcie fazowe pomiêdzy impulsami pr¹du i

d

a fal¹

napiêcia w poœrednim obwodzie transformatorowym mo¿e
byæ nastawiane w zakresie od zera do

p.

Na rysunku 14c przedstawiono uk³ad, w którym falownik

napiêcia wspó³pracuj¹cy z dwukierunkowym przekszta³tnikiem

impulsowym po stronie superkondensatora zosta³ zast¹piony
przez falownik typu pr¹dowego (T

s1

–T

s4

) oraz oddzielny

i separowany za pomoc¹ dodatkowych ³¹czników (T

d1

,T

d2

)

prostownik diodowy. Konsekwencj¹ takiego rozwi¹zania jest
koniecznoœæ zmiany sposobu sterowania falownika napiêcia,
za poœrednictwem którego kontrolowany jest pr¹d ³adowania
superkondensatora. Przesuwaj¹c fazê sygna³ów steruj¹cych
dwiema ga³êziami (T

p1

,T

p4

) i (T

p2

,T

p3

) zmienia siê wartoœæ

œredni¹ napiêcia na wyjœciu prostownika, po stronie super-
kondensatora, kontroluj¹c pr¹d jego ³adowania.

Przy zwrocie energii falownik pr¹du (tranzystory T

s1

–T

s4

)

formuje modulowan¹ fazowo falê pr¹du przemiennego, która
za poœrednictwem transformatora i diod falownika jest
przekszta³cana w pr¹d sta³y, stanowi¹cy o zwrocie energii do
obwodu po stronie wysokiego napiêcia. Przeprowadzone
badania symulacyjne i eksperymentalne wskazuj¹ na
przydatnoœæ uk³adów z rysunku 14 do zastosowania jako
sprzêgów miêdzy lini¹ zasilaj¹c¹ a magazynem energii
w postaci baterii superkondensatorów.

PRZEGL¥D ELEKTROTECHNICZNY R. 81 NR 7-8/2005

Rys.13. Przyk³adowy schemat w³¹czenia baterii superkondensatorów
dla kompensacji udarów obci¹¿enia

Rys.14. Uk³ady energoelektroniczne jako sprzêgi miêdzy magazy-
nami i obwodami pr¹du sta³ego: a) podwójny mostek aktywny;
b) uk³ad przekszta³tnika z dodatkowym dwukierunkowym impulso-
wym sterownikiem wraz z kompletn¹ struktur¹ uk³adu stero-
wania; c) przekszta³tnik z falownikiem napiêcia i pr¹du i uk³adem
sterowania

Podsumowanie

Sta³y wzrost liczby odbiorników wra¿liwych na wszelkiego

rodzaju zaburzenia elektromagnetyczne, do których nale¿¹
tak¿e odkszta³cenia napiêcia linii zasilaj¹cej, powoduje, ¿e
zagadnienia zwi¹zane z jakoœci¹ energii elektrycznej
w miejscach zainstalowania odbiorników staj¹ siê przedmiotem
aktywnych dzia³añ zarówno o charakterze legislacyjnym,
ekonomicznym, technicznym, jak i badawczym.

Odczuwa siê brak dzia³añ zmierzaj¹cych do okreœlenia

stanu jakoœci energii elektrycznej w ró¿nych rejonach kraju,
co w sytuacji braku pe³nej i jednoznacznej definicji jakoœci
energii elektrycznej oraz braku unormowanych postanowieñ
odnoœnie do metod i narzêdzi pomiarowych jest zadaniem
trudnym. Okolicznoœci¹ niesprzyjaj¹c¹ jest tu tak¿e swego
rodzaju sprzecznoœæ interesów, wystêpuj¹ca miêdzy
wytwórcami, dostawcami i odbiorcami energii elektrycznej,
którzy maj¹ przewa¿nie odmienn¹ ocenê co do przyczyn
pogorszenia parametrów, okreœlaj¹cych jakoœæ energii
elektrycznej.

Sta³y rozwój systemów rozproszonych, wykorzystuj¹cych

odnawialne Ÿród³a energii o zmiennej wydolnoœci prowadzi do
sytuacji, w których zarówno Ÿród³a energii, jak i odbiorniki
musz¹ byæ traktowane jako obiekty niespokojne.

Bardzo wa¿ne s¹ prace nad rozwojem metod lokalizacji

Ÿróde³ wy¿szych harmonicznych pr¹dów w systemie elektro-
energetycznym, a tak¿e nad metodami okreœlania optymalnego
umiejscawiania urz¹dzeñ kompensuj¹cych, filtruj¹cych oraz
kontroluj¹cych przep³yw energii.

Jedynym efektywnym sposobem pozwalaj¹cym na poprawê

jakoœci energii elektrycznej w bardzo szerokim sensie (SQRA
– security, quality, reliability, availability) jest stosowanie ró¿nych
urz¹dzeñ energoelektronicznych, które dziêki rozwojowi
szybkich elementów pó³przewodnikowych mocy (tyrystory
IGCT, tranzystory IGBT), sterowanych przy u¿yciu metod
modulacji szerokoœci impulsów umo¿liwiaj¹ budowê filtrów
aktywnych (dynamicznych), kompensatorów, sterowników
przep³ywu energii, a tak¿e uk³adów sprzêgaj¹cych Ÿród³a
i zasobniki energii z lini¹ zasilaj¹c¹.

Naturaln¹ i perspektywiczn¹ drog¹ do poprawy jakoœci

energii jest budowa odbiorników o charakterze liniowym. Tu
tak¿e wa¿n¹ rolê odgrywaj¹ i bêd¹ odgrywaæ wszelkiego
rodzaju przekszta³tniki energoelektroniczne o nastawianym
wspó³czynniku mocy, które w coraz szerszym zakresie bêd¹
stanowiæ ogniwa poœrednicz¹ce miêdzy lini¹ elektroener-
getyczn¹ a odbiornikiem, zapewniaj¹c wysok¹ jakoœæ energii
pobieranej z sieci, a tak¿e dostarczanej do odbiornika.

Nie do przecenienia s¹ te¿ wszelkie dzia³ania, zwi¹zane

z poszukiwaniem i doskonaleniem odnawialnych Ÿróde³ energii
oraz zasobników energii, takich jak superkondensatory czy
wysokotemperaturowe nadprzewodnikowe uk³ady magne-
tyczne.

Praca zosta³a czêœciowo sfinansowana przez Centrum

Doskona³oœci Energoelektronika i Inteligentne Sterowanie dla
Poszanowania Energii (Centre of Excellence In Power
Electronics and Intelligent Control for Energy Conservation –
PELINCEC) dzia³aj¹ce przy Instytucie Sterowania i Elektroniki
Przemys³owej Politechniki Warszawskiej.

LITERATURA

[1] A k a g i H . , K a n a z a w a Y. , N a b a e A . : Instantaneous

reactive power compensator comprising devices without energy
storage components. IEEE Trans. on Ind. Appl. 1984, No. 20,. 625-630

[2] P e n g F. Z . , A k a g i H . , N a b a e A . : Compensation

Characteristics of the Combined System of Shunt Passive and
Series Active Filters. IEEE 1989

[3] P e n g F. Z . , A k a g i H . , N a b a e A . : A New approach to

harmonic compensation in power systems – a combined system
of shunt passive and series active filters. IEEE Trans. Ind. Appl.,
vol. IA-26, No 6, 983-990, 1990

[4] H a y a s h i Y. , S a t o N . , Ta k a h a s h i K . : A Novel Control

of a Current-Source Active Filter for ac Power System Harmonic
Compensation. IEEE Transaction on Industry Applications. Vol.
27, No 2, march/april 1991, 380-385

[5] A k a g i H . : Trends in Active Power Line Conditions. IECON`92,

19-24

[6] G y u g y i L . : Unified power-flow control concept for flexible AC

transmission systems. IEE Proc., Vol. 139, No 4, July 1992,
323-331

[7] P y t l a k A . , Œ w i ¹ t e k H . , Z y m m e r K . : Kompatybilnoœæ

przekszta³tników z sieci¹ zasilaj¹c¹. Cz. 1: Odkszta³cenia i odchy³ki
napiêcia wystêpuj¹ce w sieci publicznej i przemys³owej. Jakoœæ
i U¿ytkowanie Energii Elektrycznej. Tom III, Zeszyt 1, Rok 1997,
31-36

[8] S t r z e l e c k i R . : Zastosowanie teorii mocy chwilowej do

sterowania energetycznych filtrów aktywnych. Jakoœæ i U¿yt-
kowanie Energii Elektrycznej, Tom III, Zeszyt 1, Rok 1997, 65-74

[9] K u œ m i e r e k Z . : Odbiorniki nieliniowe i ich oddzia³ywanie na

sieæ zasilaj¹c¹. III Konferencja Sterowanie w Energoelektronice
i Napêdzie Elektrycznym, £ódŸ-Arturówek, 12-14 listopada 1997,
347-353

[10] N o w a k M . , B a r l i k R . : Poradnik in¿yniera energo-

elektronika. WNT, 1998

[11] H a n z e l k a

Z . ,

K o w a l s k i

Z . :

KompatybilnoϾ

elektromagnetyczna (EMC) i jakoϾ energii elektrycznej
w dokumentach normalizacyjnych. Jakoœæ i U¿ytkowanie Energii
Elektrycznej. Tom V, Zeszyt 1, Rok 1999, 93-105

[12] C h a n d r a A . , S i n g h B . , S i n g h B . N . , A l - H a d d a d K . :

An Improved Control Algorithm of Shunt Active Filter for Voltage
Regulation, Harmonic Elimination, Power-Factor Correction and
Balancing of Nonlinear Loads. IEEE Transactions on Power
Electronics. Vol. 15, No 3, May 2000, 495-507

[13] S o a r e s V. , V e r d e l h o P. , M a r q u e s G . D . : An

Instantaneous Active and Reactive Current Component Method
for Active Filters. IEEE Transactions on Power Electronics, Vol.
15, No 4, July 2000, 660-669

[14] S t r z e l e c k i R . , S u p r o n o w i c z H . : Wspó³czynnik mocy

w systemach zasilania pr¹du przemiennego i metody jego
poprawy. Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej,
Warszawa, 2000

[15] M a t u l k a J . , R ¹ b k o w s k i J . , N o w a k M . , B a r l i k R . :

Trójpoziomowy przekszta³tnik napiêcia PWM – wyniki badañ
modelu laboratoryjnego. V Krajowa Konferencja Naukowa
Sterowanie w Energoelektronice i Napêdzie Elektrycznym. £ódŸ,
14-16 listopada 2001, 333-338

[16] N o w a k M . , M a t u l k a J . , B a r l i k R . : Active Power

Levelling with Capacitor Energy Storage. Proc. of 9th European
Conference on Power Electronics and Applications. 27-29 August
2001, Graz, Austria, 1-9

[17] S t r z e l e c k i R . , S o z a ñ s k i K . : Filtry aktywne w uk³adach

zasilaj¹cych i napêdowych. Mat. Konferencji Naukowo-Tech-
nicznej „Nowoczesne urz¹dzenia zasilaj¹ce w energetyce”,
Kazimierz, 28-30 marzec 2001, 17.1-17.12

[18] W a n g Z . , W a n g Q . , Ya o W . , L i u J . : A Series Active

Power Filter Adopting Hybrid Control Approach. IEEE Trans. On
Power Electronics, Vol. 16, No 3, May 2001, 301-310

[19] B a r l i k R . , N o w a k M . : Trójfazowe przekszta³tniki sieciowe

PWM o nastawianym wspó³czynniku mocy – uk³ady o wyjœciu
napiêciowym. Przegl¹d Elektrotechniczny, R. LXXVIII, Nr 10/2002,
197-203

[20] B a r l i k R . , N o w a k M . : Trójfazowe przekszta³tniki sieciowe

PWM o nastawianym wspó³czynniku mocy – uk³ady o wyjœciu
pr¹dowym. Przegl¹d Elektrotechniczny, R. LXXVIII, Nr 11/2002,
252-257

[21] M a c h o w s k i J . : „Elastyczne systemy przesy³owe – FACTS”.

Przegl¹d Elektrotechniczny. R. LXXVIII, 7/2002, 189-196

[22] N o w a k

M . ,

H i l d e b r a n d t

J . ,

B a r l i k

R . :

Superkondensatory i ich zastosowania. Przegl¹d Elektrotech-
niczny Nr 8/2002, R. LXXVIII, 225-230

PRZEGL¥D ELEKTROTECHNICZNY R. 81 NR 7-8/2005

PRZEGL¥D ELEKTROTECHNICZNY R. 81 NR 7-8/2005

[23] R ¹ b k o w s k i J . , N o w a k M . , M a t u l k a J . , B a r l i k R . :

An extender structure of NPC Three Level Converter as a Universal
Power Kompensator. Konferencja EPE-PEMC 2002, Dubrovnik
and Cavtat.

[24] S t r z e l e c k i R . , Aktywne uk³ady kondycjonowania energii –

APC. Przegl¹d Elektrotechniczny. R. LXXVIII, 7/2002, 196-202

[25] R ¹ b k o w s k i J . , N o w a k M . , B a r l i k R . : Wyrównywanie

obci¹¿enia równolegle po³¹czonych trójfazowych przekszta³tników
sieciowych PWM typu pr¹dowego. IV Krajowa Konferencja
Postêpy w Elektrotechnice Stosowanej PES-4, Koœcielisko
23-27 czerwca 2003, Tom I, 59-66

[26] P a w l ê g a A . : „Problemy oceny jakoœci energii elektrycznej

w miejscach jej dostarczania do odbiorców”. Przegl¹d
Elektrotechniczny, R. LXXIX 11/2003, 805-810

[27] S t r z e l e c k i R . , B e n y s e k G . , N o c u l a k A . :

Wykorzystanie urz¹dzeñ energoelektronicznych w systemie
elektroenergetycznym. Przegl¹d Elektrotechniczny. R. LXXIX
2/2003, 41-48

[28] R ¹ b k o w s k i J . , N o w a k M . , B a r l i k R . : Parallel operation

of two three phase PWM Buck rectifiers. Przegl¹d
Elektrotechniczny. R. 80 Nr 5/2004, 498-501

[29] N o w a k M . , H i l d e b r a n d t J . , B a r l i k R . : Badania

dwukierunkowych przekszta³tników z poœrednim obwodem
transformatorowym przeznaczonych jako sprzêgi do
superkondensatorów. III Krajowa Konferencja Mis-3
Modelowanie i Symulacja, Koœcielisko 21-25 czerwca 2004,
Tom I, 229-236

[30] P o p c z y k J . : Nowe spojrzenie na jakoϾ energii elektrycznej

w Polsce w warunkach urynkowienia elektroenergetyki i integracji
z UE. Przegl¹d Elektrotechniczny, R. 80 Nr 6/2004, 569-571

[31] Norma PN-EN-50160 (EN 50160). Parametry napiêcia zasila-

j¹cego w publicznych sieciach rozdzielczych.

[32] Norma PN-EN 61000-2-4. KompatybilnoϾ elektromagnetyczna.

Œrodowisko. Poziomy kompatybilnoœci dotycz¹ce zaburzeñ
przewodzonych ma³ej czêstotliwoœci w sieciach zak³adów
przemys³owych.

[33] Norma PN-EN 61000-3-2. KompatybilnoϾ elektromagnetyczna.

Dopuszczalne poziomy emisji harmonicznych pr¹du (fazowy pr¹d
zasilaj¹cy odbiornika

£16A).

[34] Norma PN-EN 61000-3-3. KompatybilnoϾ elektromagnetyczna.

Ograniczenie wahañ napiêcia i migotania œwiat³a powodowanych
przez odbiorniki o pr¹dzie znamionowym

£16A w sieciach

zasilaj¹cych niskiego napiêcia.

[35] Norma PN-EN 61000-4-11. KompatybilnoϾ elektromagnetyczna.

Metody badañ i pomiarów. Badania odpornoœci na zapady
napiêcia, krótkie przerwy i zmiany napiêcia.

[36] Rozporz¹dzenie Ministra Gospodarki z dnia 25.09.2000 r.

w sprawie szczegó³owych warunków przy³¹czania podmiotów do
sieci elektroenergetycznych, obrotu energi¹ elektryczn¹,
œwiadczenia us³ug przesy³owych, ruchu sieciowego i eksploatacji
sieci oraz standardów jakoœciowych obs³ugi odbiorców (Dz.U.
z dnia 17.10.2000 r., Nr 65, poz. 857).

Autorzy: Roman Barlik [e-mail]

Mieczys³aw Nowak [e-mail]

Mieczys³aw NOWAK

Politechnika Warszawska, Instytut Sterowania i Elektroniki Przemys³owej

Stan i trendy rozwoju pó³przewodnikowych ³¹czników mocy

i budowanych z ich zastosowaniem przekszta³tników

energoelektronicznych

Streszczenie: We wstêpie artyku³u, w powi¹zaniu z rysem piêædziesiêcioletniego rozwoju nowoczesnej energoelektroniki, przedstawiono g³ówne czyn-
niki kszta³tuj¹ce obecne trendy rozwojowe w tej dziedzinie. Nastêpnie podano krótki przegl¹d najwa¿niejszych i podlegaj¹cych pracom badawczo-roz-
wojowym pó³przewodnikowych przyrz¹dów mocy uwzglêdniaj¹c podzia³ wywodz¹cy siê z wartoœci napiêcia roboczego. Zasadnicz¹ czêœæ pracy
poœwiêcono przegl¹dowi subiektywnie wybranych topologii, które zdaniem autora odpowiadaj¹ intensywnie rozwijaj¹cym siê obszarom zastosowania
energoelektroniki.

Abstract: At the beginning the paper presents a short historical sketch of half century long development of modern power electronics and points so-
me important factors which influence present day trends in research and application of the discipline. Then a short review of most important and conti-
nuously developed semiconductor power devices is given based on general classification derived from working voltage is given. The main part of paper
presents a subjectively selected converter topologies, which accordingly to authors opinion corresponds to dynamic grow of power electronics applica-
tion areas. (Power semiconductor switches and power electronics converters – current state and development trend).

S³owa kluczowe: pó³przewodnikowe przyrz¹dy mocy, diody, tranzystory IGBT, MOS, tyrystory GTO, GCT, przekszta³tniki PWM, przekszta³tniki syn-
chroniczne, wielopoziomowe przekszta³tniki napiêcia, przekszta³tniki miêkko prze³¹czaj¹ce.
Keywords: Semiconductor power switches, diode IGBT, MOS, thyristor, GTO, GCT, PWM converters, synchronous converters, multilevel converters,
soft-switching converters.

Wstêp

Niniejszy artyku³ stanowi g³os w dyskusji nad aktualn¹ rol¹ i kie-

runkami rozwoju energoelektroniki. Platform¹ do takiej dyskusji
by³o utworzenie przy Instytucie Sterowania i Elektroniki Przemys-
³owej Europejskiego Centrum Doskona³oœci Energoelektronika
i Inteligentne Sterowanie dla Oszczêdnoœci Energii (ang. PELIN-
CEC – Power Electronics and Intelligent Control for Energy Con-
servation). W ramach struktury organizacyjnej jedna z 6 grup
roboczych podjê³a tematykê przyrz¹dów pó³przewodnikowych
mocy oraz topologii uk³adów przekszta³tnikowych. Dodatkowy a-
sumpt do prezentacji studium wynika z faktu, ¿e je¿eli uznaæ po-
cz¹tek lat 50. (tranzystor z³¹czowy – 1951, dioda energetyczna
– 1952, tyrystor – 1956) jako cezurê wyznaczaj¹c¹ pocz¹tek ery

nowoczesnej energoelektroniki, to jest okazja, aby z perspektywy
pó³wiecza oceniæ stan i kierunki rozwoju przekszta³tników
energii elektrycznej budowanych z zastosowaniem zaworów pó³-
przewodnikowych. Tego rodzaju analityczne przegl¹dy stanu
energoelektroniki podejmowane by³y w ci¹gu ostatniej dekady
[1, 2, 3, 4, 5] daj¹c okazje do refleksji nad kierunkami rozwoju tej
dziedziny. O ile w pierwszym æwieræwieczu rozwój przekszta³tni-
ków by³ zorientowany na zapewnienie optymalnych warunków
pracy odbiorników i poprawê ich w³aœciwoœci, o tyle w drugim
zainteresowanie badaczy zaczê³o siê koncentrowaæ nad proble-
mami wspó³pracy przekszta³tników ze Ÿród³ami zasilaj¹cymi.
Dotyczy to w pierwszym rzêdzie powszechnych systemów ener-
getycznych i tak aktualnego problemu jakoœci energii, ale tak¿e