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% UN
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 = f(I)
C
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 lini przesyłowej: Dobór bateri 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
Uczucie dyskomfortu
Zm czenie narz du wzroku
Problemy w spostrzeganiu
Zmiany napi cia wewn trz zakresu eksploatacyjnego:
< ± 10% UN
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 ( ang. short – term)
st
P = 1 próg dyskomfortu widzenia
st
Długookresowy wska nik migotania wiatła Plt
( ang. long – term)
Dla urz dze o jednorazowym czasie pracy powy ej 30 min.
Okres oblicze : 2h
P = 0,065 próg dyskomfortu widzenia
lt
Wahania warto ci skutecznej napi cia
Urz dzenia powoduj ce migotanie wiatła
Piec łukowy
S = 100 MVA, I = 42 kA
w
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 = 5 – 7 * I
r
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 lini 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
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*f1
Przegrzewanie si wirnika, stojana i korpusu
Składowa zerowa powoduje indukowanie pr du w wale wirnika. Obwód zamyka si przez korpus i ło yska
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 awari , prac konserwacyjnych lub robót budowlanych
Nie obejmuje sytuacji wyj tkowych:
Sytuacji pogodowych
Katastrof
Działa władz publicznych
Warto napi cia znamionowego:
U = 230 V
N
Cz stotliwo znamionowa f = 50 Hz
N
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% UN
Praca wyspowa:
+10% / -15% UN
Metoda pomiaru
95 % warto ci rednich 10 min. U w tygodniu powinno mie ci si w zakresie ± 10% U
sk
N
Wszystkie warto ci rednie 10 min. U powinny mie ci si w zakresie ± 10% U
sk
N
Migotanie wiatła:
P 1 przez 95% tygodniowego okresu pomiarowego
lt
Odbiór zjawiska migotania zale y od cech osobniczych:
P 1 mo e by zauwa ony
lt
P > 1 mo e by niezauwa ony
lt
Asymetria napi cia:
95 % z 10 min warto ci rednich U składowej przeciwnej
sk
powinno znajdowa si w przedziale 0 – 2% U składowej zgodnej sk
Składowa zerowa nie jest rozpatrywana
Harmoniczne napi cia:
THD
8% przez 95% tygodnia
n 40
przez 95% tygodnia rednia warto skuteczna ka dej harmonicznej nie powinna by wi ksza ni :
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 150 kV:
N
Migotanie wiatła:
P 1 przez 95% tygodniowego okresu pomiarowego
lt
W przypadkach spornych taka warto , aby powy szy warunek był spełniony w sieci nn Harmoniczne napi cia:
THD
8% przez 95% tygodnia
n 40
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 energi
Silnik spalinowy + generator synchroniczny
Masa < 10 kg (<1 kVA) do > 29 ton (1 MVA zabudowany) Sprawno cieplna: 43 - 45%
Agregat przeno ny, S <18 kVA
N
Silnik benzynowy (Diesla)
Wersja standard:
U = ± 10% UN
S
= 110 S
chwilowa
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 < kilka MVA
N
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%
(przeliczone dane z Wielkiej Brytani , 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
IEC 62040-3:
double conversion
S < i > 2 kVA
N
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 energi (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 topologi 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 bateri pon.
10 ms
Prosta konstrukcja
Niski koszt
Kompromis
Mała masa
UPS w topologi line – interactive
Wg IEC 62040-3
Falownik dostarcza
energi do
obci enia i ładuje
akumulator
Mo liwo cz ciowej
poprawy jako ci energi
za pomoc falownika
Ni szy koszt od
topologi 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 energi (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
( 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?
lavg
P
= 1,2 W
Q7avg
P
= 1,2 W
Q8avg
Praca liniowa tranzystorów = DU E STRATY (CIEPŁO)
Modulacja szeroko ci impulsu
(ang. Pulse Width Modulation)
Zmiana czasu zał czenia klucza (t ) w stosunku do czasu wył czenia klucza (t ) on
off
Współczynnik szeroko ci impulsu:
Zmiana czasu zał czenia klucza t (lub współczynnika D)
on
Zmiana warto ci redniej napi cia lub pr du
Przebieg sinusoidalny do sterowania kluczami
Płynna zmiana t wg funkcji sinus
on
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 UDC
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
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 ( ang. dead time, t )
m
d
Typowo 10 - 12 s dla IGBT
Stała warto zale na od:
rodzaju kluczy
technologi 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 bateri akumulatorów
Transformator na wyj ciu falownika
Tranzystory bipolarne
Sterowane pr dem (obwód baza emiter)
Dodatkowe straty w obwodach steruj cych: P = R*I2
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
Falownik trójfazowy z jednym ródłem napi cia stałego