Διπλωματική Εργασία του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών:

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ & ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ: ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ: ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ, ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ, ΔΙΑΝΟΜΗΣ ΚΑΙ ΧΡΗΣΙΜΟΠΟΙΗΣΗΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Διπλωματική Εργασία του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών: ΚΑΦΟΥΡΟΥ ΣΑΡΑΝΤΟΥ του ΜΑΡΚΟΥ Αριθμός Μητρώου: 226275 Θέμα: «Διερεύνηση της λειτουργίας και σχεδιασμός συστήματος ελέγχου του δυναμικού αποκαταστάτη τάσης (DVR) που χρησιμοποιείται στα δίκτυα διανομής» Επιβλέπων: Γαβριήλ B. Γιαννακόπουλος, Καθηγητής Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: Πάτρα, Οκτώβριος 2010 i /2010

ii

ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ Πιστοποιείται ότι η Διπλωματική Εργασία με θέμα «Διερεύνηση της λειτουργίας και σχεδιασμός συστήματος ελέγχου του δυναμικού αποκαταστάτη τάσης (DVR) που χρησιμοποιείται στα δίκτυα διανομής» Του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών ΚΑΦΟΥΡΟΥ ΣΑΡΑΝΤΟΥ του ΜΑΡΚΟΥ Αριθμός Μητρώου: 226275 Παρουσιάστηκε δημόσια και εξετάστηκε στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών στις 13/10/2010 Ο Επιβλέπων Ο Διευθυντής του Τομέα Γαβριήλ Β. Γιαννακόπουλος, Καθηγητής Αντώνιος Θ. Αλεξανδρίδης, Καθηγητής iii

iv

Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: /2010 Θέμα: «Διερεύνηση της λειτουργίας και σχεδιασμός συστήματος ελέγχου του δυναμικού αποκαταστάτη τάσης (DVR) που χρησιμοποιείται στα δίκτυα διανομής» Φοιτητής: Σαράντος Μ. Καφούρος Επιβλέπων: Γαβριήλ Β. Γιαννακόπουλος Περίληψη Η παρούσα διπλωματική εργασία έχει ως αντικείμενο τη διερεύνηση της λειτουργίας και το σχεδιασμό συστήματος ελέγχου του δυναμικού αποκαταστάτη τάσης (DVR - Dynamic Voltage Restorer, όπως αναφέρεται στη διεθνή βιβλιογραφία) που χρησιμοποιείται στα δίκτυα διανομής. Η συγκεκριμένη συσκευή ανήκει στην κατηγορία των FACTS (Flexible ac Transmission Systems), παρέχει εν σειρά αντιστάθμιση, και ο σκοπός λειτουργίας της είναι η βελτίωση της ποιότητας της παρεχόμενης ισχύος και η αύξηση της αξιοπιστίας του συστήματος. Εξειδικεύεται στις βυθίσεις τάσεως. Πιο συγκεκριμένα, ο δυναμικός αποκαταστάτης τάσης έχει στόχο, όπως μαρτυρά και το όνομά του, να διατηρεί την τάση ενός φορτίου κατά το δυνατόν σταθερή στην τιμή που αυτή είχε πριν συμβεί η όποια βύθιση. Έτσι, θα καταβληθεί προσπάθεια προκειμένου να προσομοιωθεί η λειτουργία μιας τέτοιας συσκευής σε ένα απλό δίκτυο με τη βοήθεια του λογισμικού PSCAD. Θα κατασκευαστεί ο DVR καθώς και το σύστημα ελέγχου του κι αφού συνδεθεί σε ένα φορτίο, θα δημιουργήσουμε διάφορα είδη σφαλμάτων και θα μελετήσουμε την απόκρισή του και την ικανότητά του να αποκαθιστά την τάση. Στο πρώτο κεφάλαιο, θα παρουσιάσουμε την έννοια της ποιότητας ισχύος. Η ποιότητα ισχύος (Power Quality) αφορά ένα μεγάλο αριθμό ηλεκτρομαγνητικών φαινομένων-διαταραχών που εμφανίζονται στο ηλεκτρικό δίκτυο. Αν και καινούργιος όρος, καλύπτει φαινόμενα ήδη γνωστά τα οποία όμως αποκτούν διαφορετική και μεγαλύτερη σημασία στα μοντέρνα συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας. Θα παρουσιαστούν τα προβλήματα που μπορεί να εμφανιστούν σε ένα σύστημα v

ηλεκτρικής ενέργειας και συνδέονται με την ποιότητα ισχύος που παρέχεται, ενώ ταυτόχρονα θα προταθούν πολύ σύντομα λύσεις. Στο δεύτερο κεφάλαιο, παρουσιάζονται τα βασικά στοιχεία από τα οποία αποτελείται ο δυναμικός αποκαταστάτης τάσης και η PWM τεχνική. Θα παρουσιαστεί ένα απλουστευμένο μαθηματικό μοντέλο για τον υπολογισμό της βύθισης τάσης κι ένα για την έγχυση τάσης από τον DVR. Εκτός των βασικών συνιστωσών από τις οποίες αποτελείται ο DVR, θα παρουσιαστεί η SPWM τεχνική την οποία ακολουθούμε ώστε να παλμοδοτήσουμε τον αντιστροφέα του DVR και να εγχυθεί η κατάλληλη τάση. Στο τρίτο κεφάλαιο, θα εφαρμοστούν όλα αυτά που αναπτύχθηκαν στο κεφάλαιο 2 στο λογισμικό PSCAD και θα κατασκευαστεί ο δυναμικός αποκαταστάτης τάσης ο οποίος θα συνδέεται σε ένα απλό δίκτυο. Στο τέταρτο και τελευταίο κεφάλαιο, θα προσομοιωθεί το σύστημα που αναπτύχθηκε στο κεφάλαιο 3 έτσι ώστε να εξαχθούν κάποια χρήσιμα συμπεράσματα. Θα γίνουν στο δίκτυο από δύο μονοφασικά σφάλματα, δύο διφασικά μεταξύ των φάσεων, δύο διφασικά με τη γη, δύο τριφασικά μεταξύ των φάσεων και δύο τριφασικά με τη γη. Με τον τρόπο αυτό θα φανεί πόσο βυθίζεται η τάση σε καθεμία από αυτές τις περιπτώσεις, αλλά και ποιο ποσοστό της τάσης καταφέρνει ο DVR να αποκαταστήσει, πόση δηλαδή καταλήγει να είναι η τάση του φορτίου σε κάθε βύθιση. Έτσι, θα εξάγουμε συμπεράσματα για τις βυθίσεις στις οποίες ο DVR είναι ικανός να αποκαθιστά πλήρως την τάση, αλλά και για εκείνες που απλά την ανυψώνει σε ένα αποδεκτό επίπεδο. Επίσης, θα συνδέσουμε κι ένα δεύτερο φορτίο παράλληλα στο ήδη υπάρχον, θα προκαλέσουμε στη γραμμή του δεύτερου φορτίου σφάλματα κ με παράμετρο το μήκος της γραμμής θα διερευνήσουμε πόσο βυθίζεται η τάση. vi

ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Στο σημείο αυτό θα ήθελα να ευχαριστήσω θερμά τον κύριο Γαβριήλ Γιαννακόπουλο, Καθηγητή του τμήματος, αρχικά για την εμπιστοσύνη που μου έδειξε αναθέτοντάς μου την παρούσα διπλωματική εργασία και εν συνεχεία για την πολύτιμη βοήθειά του και στήριξη όποτε τη χρειάστηκα, αλλά και για την άψογη συνεργασία μας. Επίσης, θα ήθελα να ευχαριστήσω την οικογένεια μου, στους οποίους αφιερώνω τη συγκεκριμένη εργασία, για τη συμπαράστασή τους όλα τα χρόνια των σπουδών μου, την υπομονή τους, την οικονομική τους στήριξη, και την ενθάρρυνσή τους να συνεχίσω τις σπουδές μου. Σαράντος Καφούρος vii

viii

Περιεχόμενα ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1: Η ΕΝΝΟΙΑ ΤΗΣ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΙΣΧΥΟΣ..1 1.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ..1 1.2 ΒΥΘΙΣΕΙΣ ΤΑΣΕΩΣ 3 1.2.1 Ορισμός.3 1.2.2 Προβλήματα λόγω βυθίσεων τάσης..3 1.2.3 Χαρακτηριστικά φαινομένου και μετρήσεις βυθίσεων τάσης 5 1.2.4 Προσπάθειες μείωσης βυθίσεων τάσης 6 1.3 ΔΙΑΚΟΠΕΣ ΤΑΣΗΣ..8 1.4 ΥΠΕΡΤΑΣΕΙΣ.9 1.5 ΦΛΙΚΕΡ 10 1.6 ΑΣΥΜΜΕΤΡΙΑ ΦΑΣΕΩΝ..11 1.7 ΑΡΜΟΝΙΚΕΣ 12 1.7.1 Ορισμός και μέτρηση Αρμονικών 13 1.7.2 Ενδιάμεσες Αρμονικές..15 1.7.3 Από τι προκαλείται η διαταραχή..16 1.7.4 Οι πηγές των αρμονικών διαταραχών..17 1.7.5 Οι συνέπειες λόγω των αρμονικών 19 1.7.6 Αντιμετώπιση προβλημάτων που δημιουργούν οι αρμονικές.20 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: ΤΑ ΒΑΣΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΤΟΥ DVR ΚΑΙ Η PWM ΤΕΧΝΙΚΗ..23 2.1 Ο ΔΥΝΑΜΙΚΟΣ ΑΠΟΚΑΤΑΣΤΑΤΗΣ ΤΑΣΗΣ (DVR) ΓΕΝΙΚΑ.23 2.2 Η ΑΡΧΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΤΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΤΟΥ DVR 25 2.3 ΑΠΛΟΥΣΤΕΥΜΕΝΟ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΟ ΜΟΝΤΕΛΟ ΓΙΑ ΤΟΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟ ΤΗΣ ΒΥΘΙΣΗΣ ΤΑΣΗΣ...26 2.4 ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΟ ΜΟΝΤΕΛΟ ΓΙΑ ΤΗΝ ΕΓΧΥΣΗ ΤΑΣΗΣ ΑΠΟ ΤΟ ΣΥΣΤΗΜΑ ΤΟΥ DVR.27 2.5 ΟΙ ΒΑΣΙΚΕΣ ΣΥΝΙΣΤΩΣΕΣ ΤΟΥ DVR. 29 2.6 ΜΕΘΟΔΟΙ ΔΙΟΡΘΩΣΗΣ ΤΑΣΗΣ ΣΤΟΝ DVR.31 2.6.1 Αποκατάσταση πριν τη βύθιση τάσης (Pre-dip Compensation) 31 2.6.2 Συμφασική Αποκατάσταση (In-Phase Compensation)..33 ix

2.6.3 Προηγμένη Συμφασική Αποκατάσταση (In-Phase Advance Compensation).34 2.7 ΑΝΑΛΥΣΗ ΚΥΚΛΩΜΑΤΟΣ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΑ.35 2.7.1 Εισαγωγή στους Αντιστροφείς..35 2.7.2 Μονοφασικοί Αντιστροφείς..37 2.7.3 Τριφασικοί Αντιστροφείς..39 2.8 ΑΝΑΛΥΣΗ ΤΗΣ SPWM ΤΕΧΝΙΚΗΣ.41 2.8.1 Η SPWM σε μονοφασικό αντιστροφέα....41 2.8.1.1 Διαμόρφωση SPWM με διπολική τάση εξόδου.48 2.8.1.2 Διαμόρφωση SPWM με μονοπολική τάση εξόδου..50 2.8.2 Η SPWM σε τριφασικό αντιστροφέα 52 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3: Η ΥΛΟΠΟΙΗΣΗ ΤΟΥ DVR ΣΤΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ PSCAD/EMTDC 57 3.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ.57 3.2 ΥΛΟΠΟΙΗΣΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΔΙΑΝΟΜΗΣ ΚΑΙ ΒΑΣΙΚΩΝ ΣΥΝΙΣΤΩΣΩΝ DVR.58 3.3 ΥΛΟΠΟΙΗΣΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΕΛΕΓΧΟΥ ΤΟΥ DVR 63 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4: ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΚΑΙ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ.69 4.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ.69 4.2 ΠΕΡΙΠΤΩΣΗ ΜΟΝΟΦΑΣΙΚΟΥ ΣΦΑΛΜΑΤΟΣ.72 4.3 ΠΕΡΙΠΤΩΣΗ ΔΙΦΑΣΙΚΟΥ ΣΦΑΛΜΑΤΟΣ.83 4.4 ΠΕΡΙΠΤΩΣΗ ΔΙΦΑΣΙΚΟΥ ΣΦΑΛΜΑΤΟΣ ΜΕ ΤΗ ΓΗ.94 4.5 ΠΕΡΙΠΤΩΣΗ ΤΡΙΦΑΣΙΚΟΥ ΣΦΑΛΜΑΤΟΣ.104 4.6 ΠΕΡΙΠΤΩΣΗ ΤΡΙΦΑΣΙΚΟΥ ΣΦΑΛΜΑΤΟΣ ΜΕ ΤΗ ΓΗ..115 4.7 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ..125 4.8 ΕΞΑΡΤΗΣΗ ΒΥΘΙΣΗΣ ΤΑΣΗΣ ΑΠΟ ΤΗΝ ΑΠΟΣΤΑΣΗ.127 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ ΑΝΑΦΟΡΕΣ.133 x

Σχήματα Σχήμα 1.1: Μέτρηση βύθισης τάσης (a) Κυματομορφές τάσης, (b) Η ενεργός τιμή της τάσης για κάθε φάση. Σχήμα 1.2: Καμπύλη ITIC (υπό συνθήκες υπέρτασης η συσκευή κινδυνεύει από βλάβη, ενώ υπό συνθήκες μειωμένης τάσης η συσκευή ενδέχεται να σταματήσει να λειτουργεί). Σχήμα 1.3: Αντιπαραβολή συμμετρικού με ασύμμετρο τριφασικό σύστημα. Σχήμα 1.4: Ανάλυση ημιτονοειδούς σήματος, όπου διακρίνονται οι αρμονικές 1ης, 3ης, 5ης και 7ης τάξης. Σχήμα 1.5: Φασματική απεικόνιση μιας συνήθους κυματομορφής τάσης, καλούμενης κι ως πριονισμένης κορυφής. Σχήμα 1.6: Ισοδύναμο κύκλωμα συστήματος με γραμμικό φορτίο, όπου με G συμβολίζονται τα στοιχεία της γεννήτριας, με s οι αντιδράσεις των ισοδυνάμων Thevenin και L τα στοιχεία του καταναλωτή. Σχήμα 1.7: Ισοδύναμο κύκλωμα συστήματος με μη γραμμικό φορτίο, όπου με G συμβολίζονται τα στοιχεία της γεννήτριας, με s οι αντιδράσεις των ισοδυνάμων Thevenin και L τα στοιχεία του καταναλωτή. Σχήμα 1.8: Πίνακας που παρουσιάζει την κυματομορφή και την ενδεικτική αρμονική παραμόρφωση για διάφορα είδη φορτίων. Σχήμα 1.9: Παθητικά φίλτρα ρεύματος στην είσοδο ενός μη γραμμικού φορτίου. Σχήμα 1.10 : (α) παράλληλο και (β) σειράς,ενεργό φίλτρο για τον περιορισμό των αρμονικών. Σχήμα 2.3: Υπολογισμός της βύθισης τάσης. Σχήμα 2.4: Υπολογισμός της έγχυσης τάσης του DVR. Σχήμα 2.6: Μονοφασικό διανυσματικό διάγραμμα της PDC μεθόδου. Σχήμα 2.7: Διάγραμμα Φασόρων της IPC μεθόδου. Σχήμα 2.8: Μονοφασικός αντιστροφέας ημιγέφυρας. Σχήμα 2.9: Μονοφασικός αντιστροφέας πλήρους γέφυρας. Σχήμα 2.10: Τριφασικός αντιστροφέας ημιγέφυρας. Σχήμα 2.11: Κυματομορφές τάσης στην έξοδο του τριφασικού αντιστροφέα έξι παλμών. Σχήμα 2.12: Ημιτονοειδής διαμόρφωση εύρους παλμών. Σχήμα 2.13: Φάσμα της τάσης εξόδου για αντιστροφέα ημιγέφυρας. Σχήμα 2.14: Έλεγχος της τάσης με μεταβολή του Μα για μονοφασικό αντιστροφέα. xi

Σχήμα 2.15: Γενικευμένες αρμονικές της VΑο για μεγάλο Μf. Σχήμα 2.16: Διαμόρφωση SPWM με διπολική τάση εξόδου. Σχήμα 2.17: Διαμόρφωση SPWM με μονοπολική τάση εξόδου. Σχήμα 2.18: (α) Παραγωγή παλμών οδήγησης τριφασικού αντιστροφέα. (β) Αντίστοιχα: Φασική τάση Α, Φασική τάση Β, Πολική τάση ΑΒ. Σχήμα 2.19: Φάσμα πολικής τάσης αντιστροφέα. Σχήμα 2.20: Έλεγχος της πολικής τάσης με μεταβολή του για τριφασικό αντιστροφέα. Σχήμα 2.21: Γενικευμένες αρμονικές της VLL για μεγάλο και περιττό, πολλαπλάσιο του 3. Σχήμα 3.1: Αναπαράσταση της παροχής τάσης σε ένα δίκτυο διανομής. Σχήμα 3.2: Αναπαράσταση τριφασικού φορτίου. Σχήμα 3.3: Τριφασικός μετασχηματιστής για τη σύνδεση της παροχής τάσης με τη γέφυρα ανόρθωσης της μονάδας ενεργειακής αποθήκευσης. Σχήμα 3.4: Αντιστροφέας του DVR για την παραγωγή της τάσης που πρέπει να εγχυθεί. Σχήμα 3.5: Οι τρεις μονοφασικοί μετασχηματιστές για την ανόρθωση της τιμής της τάσης κάθε φάσης στην προσφαλματική τιμή. Σχήμα 3.6: Τα τρία φίλτρα, ένα για κάθε φάση. Σχήμα 3.7: Ο δυναμικός αποκαταστάτης τάσης σε ένα δίκτυο διανομής. Σχήμα 3.8: Η συνιστώσα «DVR controls» για τον έλεγχο των GTOs. Σχήμα 3.9: Παραγωγή των PWM τριγωνικών σημάτων φορέα για την έναυση και σβέση των GTOs στο πρόγραμμα PSCAD. Σχήμα 3.10: Η Three-phase PI-controlled Phase Locked Loop συνιστώσα. Σχήμα 3.11: Η Non - Linear Transfer Characteristic συνιστώσα. Σχήμα 3.12: Η παραγωγή των modulation index για τις φάσεις A, B, C για τον έλεγχο του DVR στο πρόγραμμα PSCAD. Σχήμα 3.13: Η Hard Limiter συνιστώσα. Σχήμα 3.14: Τα σήματα Reflon και Refloff που θα συγκριθούν με τα Trglon και Trgloff για την παραγωγή των παλμών έναυσης και σβέσης των GTOs. Σχήμα 3.15: Η Interpolated Firing Pulses συνιστώσα για την παραγωγή των παλμών έναυσης και σβέσης των GTOs. Σχήμα 3.16: Ολοκληρωμένο σύστημα ελέγχου του δυναμικού αποκαταστάτη τάσης (DVR) στο πρόγραμμα PSCAD. xii

Σχήμα 4.1: Ο δυναμικός αποκαταστάτης τάσης συνδεδεμένος σε ένα φορτίο για την επίτευξη της αποκατάστασης της τάσης του. Σχήμα 4.2: Κυματομορφές της τάσης παροχής και φορτίου της φάσης Α για μονοφασικό βραχυκύκλωμα (της φάσης Α) και για αντίσταση βραχυκυκλώματος 8Ω. Σχήμα 4.3: Κυματομορφές της τάσης παροχής και φορτίου της φάσης Β για μονοφασικό βραχυκύκλωμα (της φάσης Α) και για αντίσταση βραχυκυκλώματος 8Ω. Σχήμα 4.4: Κυματομορφές της τάσης παροχής και φορτίου της φάσης C για μονοφασικό βραχυκύκλωμα (της φάσης Α) και για αντίσταση βραχυκυκλώματος 8Ω. Σχήμα 4.5: Κυματομορφές της pu τριφασικής rms τάσης παροχής και φορτίου αντίστοιχα για μονοφασικό βραχυκύκλωμα (της φάσης Α) και για αντίσταση βραχυκυκλώματος 8Ω. Σχήμα 4.6 : Κυματομορφές της dc τάσης του πυκνωτή της τριφασικής rms τάσης που παρέχεται από τους τρεις μονοφασικούς μετασχηματιστές για μονοφασικό βραχυκύκλωμα (της φάσης Α) και για αντίσταση βραχυκυκλώματος 8Ω. Σχήμα 4.7: Η ισχύς που στέλνεται από τον πυκνωτή στον αντιστροφέα και η ισχύς που παρέχεται στο φορτίο από τους μονοφασικούς μετασχηματιστές έγχυσης για μονοφασικό βραχυκύκλωμα (της φάσης Α) και για αντίσταση βραχυκυκλώματος 8Ω. Σχήμα 4.8: Κυματομορφές της τάσης παροχής και φορτίου της φάσης Α για μονοφασικό βραχυκύκλωμα (της φάσης Α) και για αντίσταση βραχυκυκλώματος 1,5Ω. Σχήμα 4.9: Κυματομορφές της τάσης παροχής και φορτίου της φάσης Β για μονοφασικό βραχυκύκλωμα (της φάσης Α) και για αντίσταση βραχυκυκλώματος 1,5Ω. Σχήμα 4.10: Κυματομορφές της τάσης παροχής και φορτίου της φάσης C για μονοφασικό βραχυκύκλωμα (της φάσης Α) και για αντίσταση βραχυκυκλώματος 1,5Ω. Σχήμα 4.11: Κυματομορφές της pu τριφασικής rms τάσης παροχής και φορτίου αντίστοιχα για μονοφασικό βραχυκύκλωμα (της φάσης Α) και για αντίσταση βραχυκυκλώματος 1,5Ω. Σχήμα 4.12: Κυματομορφές της dc τάσης του πυκνωτή της τριφασικής rms τάσης που παρέχεται από τους τρεις μονοφασικούς μετασχηματιστές για μονοφασικό βραχυκύκλωμα (της φάσης Α) και για αντίσταση βραχυκυκλώματος 1,5Ω. Σχήμα 4.13: Η ισχύς που στέλνεται από τον πυκνωτή στον αντιστροφέα και η ισχύς που παρέχεται στο φορτίο από τους μονοφασικούς μετασχηματιστές έγχυσης για μονοφασικό βραχυκύκλωμα (της φάσης Α) και για αντίσταση βραχυκυκλώματος 1,5Ω. Σχήμα 4.14: Κυματομορφές της τάσης παροχής και φορτίου της φάσης Α για διφασικό βραχυκύκλωμα (μεταξύ της φάσης Α και της φάσης Β) και για αντίσταση βραχυκυκλώματος 8Ω. Σχήμα 4.15: Κυματομορφές της τάσης παροχής και φορτίου της φάσης Β για διφασικό βραχυκύκλωμα (μεταξύ της φάσης Α και της φάσης Β) και για αντίσταση βραχυκυκλώματος 8Ω. xiii

Σχήμα 4.16: Κυματομορφές της τάσης παροχής και φορτίου της φάσης C για διφασικό βραχυκύκλωμα (μεταξύ της φάσης Α και της φάσης Β) και για αντίσταση βραχυκυκλώματος 8Ω. Σχήμα 4.17: Κυματομορφές της pu τριφασικής rms τάσης παροχής και φορτίου αντίστοιχα για διφασικό βραχυκύκλωμα (μεταξύ της φάσης Α και της φάσης Β) και για αντίσταση βραχυκυκλώματος 8Ω. Σχήμα 4.18: Κυματομορφές της dc τάσης του πυκνωτή της τριφασικής rms τάσης που παρέχεται από τους τρεις μονοφασικούς μετασχηματιστές για διφασικό βραχυκύκλωμα (μεταξύ της φάσης Α και της φάσης Β) και για αντίσταση βραχυκυκλώματος 8Ω. Σχήμα 4.19: Η ισχύς που στέλνεται από τον πυκνωτή στον αντιστροφέα και η ισχύς που παρέχεται στο φορτίο από τους μονοφασικούς μετασχηματιστές έγχυσης για διφασικό βραχυκύκλωμα (μεταξύ της φάσης Α και της φάσης Β) και για αντίσταση βραχυκυκλώματος 8Ω. Σχήμα 4.20: Κυματομορφές της τάσης παροχής και φορτίου της φάσης Α για διφασικό βραχυκύκλωμα (μεταξύ της φάσης Α και της φάσης Β) και για αντίσταση βραχυκυκλώματος 1,5Ω. Σχήμα 4.21: Κυματομορφές της τάσης παροχής και φορτίου της φάσης Β για διφασικό βραχυκύκλωμα (μεταξύ της φάσης Α και της φάσης Β) και για αντίσταση βραχυκυκλώματος 1,5Ω. Σχήμα 4.22: Κυματομορφές της τάσης παροχής και φορτίου της φάσης C για διφασικό βραχυκύκλωμα (μεταξύ της φάσης Α και της φάσης Β) και για αντίσταση βραχυκυκλώματος 1,5Ω. Σχήμα 4.23: Κυματομορφές της pu τριφασικής rms τάσης παροχής και φορτίου αντίστοιχα για διφασικό βραχυκύκλωμα (μεταξύ της φάσης Α και της φάσης Β) και για αντίσταση βραχυκυκλώματος 1,5Ω. Σχήμα 4.24: Κυματομορφές της dc τάσης του πυκνωτή της τριφασικής rms τάσης που παρέχεται από τους τρεις μονοφασικούς μετασχηματιστές για διφασικό βραχυκύκλωμα (μεταξύ της φάσης Α και της φάσης Β) και για αντίσταση βραχυκυκλώματος 1,5Ω. Σχήμα 4.25: Η ισχύς που στέλνεται από τον πυκνωτή στον αντιστροφέα και η ισχύς που παρέχεται στο φορτίο από τους μονοφασικούς μετασχηματιστές έγχυσης για διφασικό βραχυκύκλωμα (μεταξύ της φάσης Α και της φάσης Β) και για αντίσταση βραχυκυκλώματος 1,5Ω. Σχήμα 4.26: Κυματομορφές της τάσης παροχής και φορτίου της φάσης Α για διφασικό βραχυκύκλωμα (μεταξύ της φάσης Α, της φάσης Β και της γης) και για αντίσταση βραχυκυκλώματος 8Ω. Σχήμα 4.27: Κυματομορφές της τάσης παροχής και φορτίου της φάσης Β για διφασικό βραχυκύκλωμα (μεταξύ της φάσης Α, της φάσης Β και της γης) και για αντίσταση βραχυκυκλώματος 8Ω. Σχήμα 4.28: Κυματομορφές της τάσης παροχής και φορτίου της φάσης C για διφασικό βραχυκύκλωμα (μεταξύ της φάσης Α, της φάσης Β και της γης) και για αντίσταση βραχυκυκλώματος 8Ω. xiv

Σχήμα 4.29: Κυματομορφές της pu τριφασικής rms τάσης παροχής και φορτίου αντίστοιχα για διφασικό βραχυκύκλωμα (μεταξύ της φάσης Α, της φάσης Β και της γης) και για αντίσταση βραχυκυκλώματος 8Ω. Σχήμα 4.30: Κυματομορφές της dc τάσης του πυκνωτή της τριφασικής rms τάσης που παρέχεται από τους τρεις μονοφασικούς μετασχηματιστές για διφασικό βραχυκύκλωμα (μεταξύ της φάσης Α, της φάσης Β και της γης) και για αντίσταση βραχυκυκλώματος 8Ω. Σχήμα 4.31: Η ισχύς που στέλνεται από τον πυκνωτή στον αντιστροφέα και η ισχύς που παρέχεται στο φορτίο από τους μονοφασικούς μετασχηματιστές έγχυσης για διφασικό βραχυκύκλωμα (μεταξύ της φάσης Α, της φάσης Β και της γης) και για αντίσταση βραχυκυκλώματος 8Ω. Σχήμα 4.32: Κυματομορφές της τάσης παροχής και φορτίου της φάσης Α για διφασικό βραχυκύκλωμα (μεταξύ της φάσης Α, της φάσης Β και της γης) και για αντίσταση βραχυκυκλώματος 1,5Ω. Σχήμα 4.33: Κυματομορφές της τάσης παροχής και φορτίου της φάσης Β για διφασικό βραχυκύκλωμα (μεταξύ της φάσης Α, της φάσης Β και της γης) και για αντίσταση βραχυκυκλώματος 1,5Ω. Σχήμα 4.34: Κυματομορφές της τάσης παροχής και φορτίου της φάσης C για διφασικό βραχυκύκλωμα (μεταξύ της φάσης Α, της φάσης Β και της γης) και για αντίσταση βραχυκυκλώματος 1,5Ω. Σχήμα 4.35: Κυματομορφές της pu τριφασικής rms τάσης παροχής και φορτίου αντίστοιχα για διφασικό βραχυκύκλωμα (μεταξύ της φάσης Α, της φάσης Β και της γης) και για αντίσταση βραχυκυκλώματος 1,5Ω. Σχήμα 4.36: Κυματομορφές της dc τάσης του πυκνωτή της τριφασικής rms τάσης που παρέχεται από τους τρεις μονοφασικούς μετασχηματιστές για διφασικό βραχυκύκλωμα (μεταξύ της φάσης Α, της φάσης Β και της γης) και για αντίσταση βραχυκυκλώματος 1,5Ω. Σχήμα 4.37: Η ισχύς που στέλνεται από τον πυκνωτή στον αντιστροφέα και η ισχύς που παρέχεται στο φορτίο από τους μονοφασικούς μετασχηματιστές έγχυσης για διφασικό βραχυκύκλωμα (μεταξύ της φάσης Α, της φάσης Β και της γης) και για αντίσταση βραχυκυκλώματος 1,5Ω. Σχήμα 4.38: Κυματομορφές της τάσης παροχής και φορτίου της φάσης Α για τριφασικό βραχυκύκλωμα και για αντίσταση βραχυκυκλώματος 22Ω. Σχήμα 4.39: Κυματομορφές της τάσης παροχής και φορτίου της φάσης Β για τριφασικό βραχυκύκλωμα και για αντίσταση βραχυκυκλώματος 22Ω. Σχήμα 4.40: Κυματομορφές της τάσης παροχής και φορτίου της φάσης C για τριφασικό βραχυκύκλωμα και για αντίσταση βραχυκυκλώματος 22Ω. xv

Σχήμα 4.41: Κυματομορφές της pu τριφασικής rms τάσης παροχής και φορτίου αντίστοιχα για τριφασικό βραχυκύκλωμα και για αντίσταση βραχυκυκλώματος 22Ω. Σχήμα 4.42: Κυματομορφές της dc τάσης του πυκνωτή της τριφασικής rms τάσης που παρέχεται από τους τρεις μονοφασικούς μετασχηματιστές για τριφασικό βραχυκύκλωμα και για αντίσταση βραχυκυκλώματος 22Ω. Σχήμα 4.43: Η ισχύς που στέλνεται από τον πυκνωτή στον αντιστροφέα και η ισχύς που παρέχεται στο φορτίο από τους μονοφασικούς μετασχηματιστές έγχυσης για τριφασικό βραχυκύκλωμα και για αντίσταση βραχυκυκλώματος 22Ω. Σχήμα 4.44: Κυματομορφές της τάσης παροχής και φορτίου της φάσης Α για τριφασικό βραχυκύκλωμα και για αντίσταση βραχυκυκλώματος 10Ω. Σχήμα 4.45: Κυματομορφές της τάσης παροχής και φορτίου της φάσης Β για τριφασικό βραχυκύκλωμα και για αντίσταση βραχυκυκλώματος 10Ω. Σχήμα 4.46: Κυματομορφές της τάσης παροχής και φορτίου της φάσης C για τριφασικό βραχυκύκλωμα και για αντίσταση βραχυκυκλώματος 10Ω. Σχήμα 4.47: Κυματομορφές της pu τριφασικής rms τάσης παροχής και φορτίου αντίστοιχα για τριφασικό βραχυκύκλωμα και για αντίσταση βραχυκυκλώματος 10Ω. Σχήμα 4.48: Κυματομορφές της dc τάσης του πυκνωτή της τριφασικής rms τάσης που παρέχεται από τους τρεις μονοφασικούς μετασχηματιστές για τριφασικό βραχυκύκλωμα και για αντίσταση βραχυκυκλώματος 10Ω. Σχήμα 4.49: Η ισχύς που στέλνεται από τον πυκνωτή στον αντιστροφέα και η ισχύς που παρέχεται στο φορτίο από τους μονοφασικούς μετασχηματιστές έγχυσης για τριφασικό βραχυκύκλωμα και για αντίσταση βραχυκυκλώματος 10Ω. Σχήμα 4.50: Κυματομορφές της τάσης παροχής και φορτίου της φάσης Α για τριφασικό βραχυκύκλωμα με τη γη και για αντίσταση βραχυκυκλώματος 8Ω. Σχήμα 4.51: Κυματομορφές της τάσης παροχής και φορτίου της φάσης Β για τριφασικό βραχυκύκλωμα με τη γη και για αντίσταση βραχυκυκλώματος 8Ω. Σχήμα 4.52: Κυματομορφές της τάσης παροχής και φορτίου της φάσης C για τριφασικό βραχυκύκλωμα με τη γη και για αντίσταση βραχυκυκλώματος 8Ω. Σχήμα 4.53: Κυματομορφές της pu τριφασικής rms τάσης παροχής και φορτίου αντίστοιχα για τριφασικό βραχυκύκλωμα με τη γη και για αντίσταση βραχυκυκλώματος 8Ω. Σχήμα 4.54: Κυματομορφές της dc τάσης του πυκνωτή και της τριφασικής rms τάσης που παρέχεται από τους τρεις μονοφασικούς μετασχηματιστές για τριφασικό βραχυκύκλωμα με τη γη και για αντίσταση βραχυκυκλώματος 8Ω. xvi

Σχήμα 4.55: Η ισχύς που στέλνεται από τον πυκνωτή στον αντιστροφέα και η ισχύς που παρέχεται στο φορτίο από τους μονοφασικούς μετασχηματιστές έγχυσης για τριφασικό βραχυκύκλωμα με τη γη και για αντίσταση βραχυκυκλώματος 8Ω. Σχήμα 4.56: Κυματομορφές της τάσης παροχής και φορτίου της φάσης Α για τριφασικό βραχυκύκλωμα με τη γη και για αντίσταση βραχυκυκλώματος 1,5Ω. Σχήμα 4.57: Κυματομορφές της τάσης παροχής και φορτίου της φάσης Β για τριφασικό βραχυκύκλωμα με τη γη και για αντίσταση βραχυκυκλώματος 1,5Ω. Σχήμα 4.58: Κυματομορφές της τάσης παροχής και φορτίου της φάσης C για τριφασικό βραχυκύκλωμα με τη γη και για αντίσταση βραχυκυκλώματος 1,5Ω. Σχήμα 4.59: Κυματομορφές της pu τριφασικής rms τάσης παροχής και φορτίου αντίστοιχα για τριφασικό βραχυκύκλωμα με τη γη και για αντίσταση βραχυκυκλώματος 1,5Ω. Σχήμα 4.60: Κυματομορφές της dc τάσης του πυκνωτή και της τριφασικής rms τάσης που παρέχεται από τους τρεις μονοφασικούς μετασχηματιστές για τριφασικό βραχυκύκλωμα με τη γη και για αντίσταση βραχυκυκλώματος 1,5Ω. Σχήμα 4.61: Η ισχύς που στέλνεται από τον πυκνωτή στον αντιστροφέα και η ισχύς που παρέχεται στο φορτίο από τους μονοφασικούς μετασχηματιστές έγχυσης για τριφασικό βραχυκύκλωμα με τη γη και για αντίσταση βραχυκυκλώματος 1,5Ω. Σχήμα 4.62: Κυματομορφές της pu τριφασικής rms τάσης παροχής και φορτίου αντίστοιχα για τριφασικό βραχυκύκλωμα με τη γη με αντίσταση βραχυκυκλώματος 3Ω σε απόσταση 100m. Σχήμα 4.63: Κυματομορφές της pu τριφασικής rms τάσης παροχής και φορτίου αντίστοιχα για τριφασικό βραχυκύκλωμα με τη γη με αντίσταση βραχυκυκλώματος 3Ω σε απόσταση 1km. Σχήμα 4.64: Κυματομορφές της pu τριφασικής rms τάσης παροχής και φορτίου αντίστοιχα για τριφασικό βραχυκύκλωμα με τη γη με αντίσταση βραχυκυκλώματος 3Ω σε απόσταση 3km. Σχήμα 4.65: Κυματομορφές της pu τριφασικής rms τάσης παροχής και φορτίου αντίστοιχα για τριφασικό βραχυκύκλωμα με τη γη με αντίσταση βραχυκυκλώματος 3Ω σε απόσταση 10km. xvii

Εικόνες Εικόνα 2.1: Η δομή του DVR. Εικόνα 2.2: Το σύστημα του DVR στο σύστημα ηλεκτρικής ενέργειας. Εικόνα 2.5: Ο Δυναμικός Αποκαταστάτης Τάσης (DVR) συνδεδεμένος στο δίκτυο διανομής. xviii

Διπλωματική Εργασία Κεφάλαιο 1 : Η έννοια της ποιότητας ισχύος ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1ο : Η ΕΝΝΟΙΑ ΤΗΣ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΙΣΧΥΟΣ 1.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Τα τελευταία χρόνια, το σύστημα μεταφοράς και διανομής ηλεκτρικής ενέργειας καλείται να αντιμετωπίσει καινούργια δεδομένα και προκλήσεις. Η απελευθέρωση της αγοράς ενέργειας, η μεγάλη αύξηση του φορτίου, η αυξανόμενη συμμετοχή στο δίκτυο των ανανεώσιμων μορφών ενέργειας αλλά και η χρήση φορτίων με ιδιαίτερα χαρακτηριστικά (ηλεκτρονικά ισχύος) δημιουργούν ένα καινούργιο περιβάλλον με μεγάλες απαιτήσεις. Οι οικονομικές συνέπειες από τα προβλήματα που προκύπτουν κατά την λειτουργία του δικτύου τόσο για τις εταιρείες ηλεκτρισμού όσο και για τους καταναλωτές δημιουργούν την ανάγκη για μεγαλύτερη εποπτεία και άμεση αντιμετώπιση των προβλημάτων. Η ποιότητα ισχύος (Power Quality) αφορά ένα μεγάλο αριθμό ηλεκτρομαγνητικών φαινομένων-διαταραχών που εμφανίζονται στο ηλεκτρικό δίκτυο. Αν και καινούργιος όρος, η ποιότητα ισχύος καλύπτει φαινόμενα ήδη γνωστά τα οποία όμως αποκτούν διαφορετική και μεγαλύτερη σημασία στα μοντέρνα συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας. Η αύξηση των ευαίσθητων σε διαταραχές φορτίων αλλά και των φορτίων που δημιουργούν διαταραχές (εκπομπές) και οι διαρκώς αυξανόμενες απαιτήσεις για αξιοπιστία, καθιστούν την ποιότητα ισχύος σημαντική παράμετρο της λειτουργίας του ηλεκτρικού συστήματος με μεγάλη οικονομική σημασία. Θα μπορούσαμε να πούμε ότι η ποιότητα ισχύος είναι μια θεώρηση των πραγμάτων με κέντρο βάρους τους καταναλωτές ηλεκτρικής ενέργειας. 1

Διπλωματική Εργασία Κεφάλαιο 1 : Η έννοια της ποιότητας ισχύος Τα προβλήματα που καλύπτει είναι σημαντικά είτε γιατί συνδέονται με αυξημένο κόστος (για βιομηχανικούς καταναλωτές) είτε ακόμα και με ανθρώπινες ζωές όταν για παράδειγμα οι καταναλωτές είναι νοσοκομεία, αεροδρόμια κ.α. Η διακοπή λειτουργίας ενός φορτίου για πολλές βιομηχανικές εγκαταστάσεις συνεπάγεται μεγάλες απώλειες για την παραγωγή τους. Οι απώλειες μπορεί να είναι ακόμα μεγαλύτερες σε περιπτώσεις όπου η επανεκκίνηση του φορτίου είναι χρονοβόρα. Οι εταιρίες ηλεκτρισμού σε όλο τον κόσμο δραστηριοποιούνται αναφορικά με την ποιότητα της παρεχόμενης ισχύος. Η EDF στη Γαλλία προσφέρει ήδη συμβόλαια τα οποία λαμβάνουν υπόψη τους την ποιότητα ισχύος. Παράλληλα αναπτύσσει ένα εκτεταμένο δίκτυο μετρήσεων για άμεση αντιμετώπιση των προβλημάτων και ενημέρωση των πελατών της. Στην Σιγκαπούρη, χώρα στην οποία βρίσκονται πολλά εργοστάσια κατασκευής ημιαγωγών και συσκευών υψηλής τεχνολογίας, γίνεται προσπάθεια βελτίωσης της παρεχόμενης ποιότητας ισχύος έτσι ώστε να ικανοποιηθούν οι μεγάλες απαιτήσεις των υπαρχόντων πελατών αλλά και προκειμένου να προσελκύσουν καινούργια εργοστάσια στη χώρα. Στο Detroit των ΗΠΑ, το 1994 υπογράφθηκαν τα πρώτα συμβόλαια που εκτός από τις διακοπές περιελάμβαναν δεσμεύσεις της εταιρίας ηλεκτρισμού για τις βυθίσεις τάσεις. Η εταιρία ηλεκτρισμού Detroit Edison και μεγάλοι κατασκευαστές αυτοκινήτων προχώρησαν στη σύναψη τέτοιων συμφωνιών προκειμένου η μεν εταιρία να εγγυηθεί τη διαρκή προσπάθειά της για βελτίωση της ποιότητας ισχύος, οι δε εταιρίες να εξασφαλίσουν την ελαχιστοποίηση των κινδύνων που συνεπάγονται προβλήματα στην ηλεκτρική ισχύ. Στην Ευρώπη οι συζητήσεις για την ποιότητα ισχύος και τις δεσμεύσεις σχετικά με αυτή, έχουν ως αφετηρία την Κοινοτική Οδηγία 85/374/EEC του 1985 που αφορά γενικά τις ευθύνες παραγωγών αναφορικά με τα προϊόντα τους. Σύμφωνα με το άρθρο 1 της Οδηγίας, ο παραγωγός θα πρέπει να είναι υπόλογος για ζημιά που θα προκαλέσει ελάττωμα του προϊόντος, ενώ στο άρθρο 3 της Οδηγίας δηλώνεται ότι ο όρος «προϊόν» αναφέρεται και στην ηλεκτρική ενέργεια. Τα στάνταρτ ΕΝ50160, IEC 61000 αλλά και οι προτεινόμενες πρακτικές του IEEE ασχολούνται με τον ορισμό των φαινομένων, τη λεπτομερή περιγραφή του τρόπου μετρήσεως τους και τον καθορισμό ορίων για τη λειτουργία του συστήματος. 2

Διπλωματική Εργασία Κεφάλαιο 1 : Η έννοια της ποιότητας ισχύος Τα σημαντικότερα φαινόμενα τα οποία καλύπτει ο όρος της ποιότητας ισχύος είναι: Βυθίσεις Τάσης Διακοπές (μικρής διάρκειας, μεγάλης διάρκειας) Υπερτάσεις (μικρής διάρκειας, μεγάλης διάρκειας) Φλίκερ Ασυμμετρία φάσεων Αρμονικές 1.2 ΒΥΘΙΣΕΙΣ ΤΑΣΗΣ 1.2.1 ΟΡΙΣΜΟΣ Βύθιση τάσης είναι η μικρής διάρκειας μείωση της ενεργού τιμής της τάσης κυρίως λόγω σφαλμάτων κινητήρων. Βύθιση της στο δίκτυο ή λόγω της σύνδεσης μεγάλων τάσης παρατηρείται επίσης και κατά την προσωρινή λειτουργία ενός μετασχηματιστή στην περιοχή κορεσμού της καμπύλης λειτουργίας του, λόγω των μεγάλων ασύμμετρων ρευμάτων που προκαλούνται (π.χ. κατά την ενεργοποίηση του). 1.2.2 ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ ΛΟΓΩ ΒΥΘΙΣΕΩΝ ΤΑΣΗΣ Το ενδιαφέρον γύρω από τις βυθίσεις τάσης εστιάζεται κυρίως στα προβλήματα τα οποία δημιουργούν σε μεγάλο αριθμό συσκευών. Ηλεκτρονικοί υπολογιστές, κινητήρες ελεγχόμενης ταχύτητας (adjustable speed drivers), συστήματα ελέγχου (PLC) είναι ιδιαίτερα ευαίσθητα. Κάποιες συσκευές δεν μπορούν να αντέξουν τάση κάτω από 90% της ονομαστικής για 1 ή 2 κύκλους. Πολλές συσκευές και κινητήρες ελεγχόμενης ταχύτητας ηλεκτρονικές δεν λειτουργούν σωστά για βυθίσεις τάσης κάτω από 70% για περισσότερο από 100 msec. Μια μέτρηση βύθιση τάσης δίνεται στο Σχ. 1. Το φαινόμενο διαρκεί περίπου 200 msec και η τάση μειώνεται στο 60 % της ονομαστικής γι αυτό το διάστημα. 3

Διπλωματική Εργασία Κεφάλαιο 1 : Η έννοια της ποιότητας ισχύος Για τους επαγωγικούς κινητήρες κατά την διάρκεια της πτώσης τάσης μειώνεται ο αριθμός των στροφών τους και τροφοδοτούνται µε μεγαλύτερο ρεύμα. Εάν η βύθιση τάσης διαρκέσει αρκετά, τότε ενδέχεται να φτάσουν σε ένα σημείο όπου σταματούν να λειτουργούν (stalling). Οι αλλαγές αυτές στο ρεύμα αλλά και στην ροπή του κινητήρα ενδέχεται να οδηγήσουν σε λειτουργία της προστασίας του και τελικά ο κινητήρας να αποσυνδεθεί. Βέβαια, προβλήματα προκύπτουν και αν η διαδικασία η οποία συνδέεται µε τον κινητήρα δεν μπορεί να αντεπεξέλθει στη μείωση των στροφών του κινητήρα. Κατά την επαναφορά της τάσης ο κινητήρας καταναλώνει μεγάλα ρεύματα μειώνοντας έτσι την τάση. Αυτό μπορεί να δημιουργήσει προβλήματα σε βιομηχανίες µε πολλούς κινητήρες. Σχ. 1.1: Μέτρηση βύθισης τάσης (a) Κυματομορφές τάσης, (b) Η ενεργός τιμή της τάσης για κάθε φάση. Ειδικότερα για τους κινητήρες ελεγχόμενης ταχύτητας η μείωση της τάσης μειώνει την ταχύτητά τους και προκαλούνται προβλήματα στη διαδικασία στην οποία είναι συνδεδεμένοι. Η βύθιση επίσης εντοπίζεται από το σύστημα προστασίας του κυκλώματος ελέγχου 4 ταχύτητας το οποίο λειτουργεί

Διπλωματική Εργασία Κεφάλαιο 1 : Η έννοια της ποιότητας ισχύος αποσυνδέοντας την συσκευή προκειμένου να προστατέψει τα ηλεκτρονικά ισχύος από τις αφύσικες συνθήκες λειτουργίας. Τέλος, κατά την επαναφορά της τάσης εμφανίζονται λειτουργεί ρεύματα μεγάλης εντάσεως µε αποτέλεσμα να η προστασία υπερεντάσεως του κυκλώματος ελέγχου ταχύτητας και να αποσυνδέεται. Προβλήματα επίσης προκύπτουν εξαιτίας της δυσλειτουργίας των PLC λόγω της βύθισης. Όπως και µε τους κινητήρες ελεγχόμενης ταχύτητας λειτουργεί το σύστημα προστασίας τους, και αποσυνδέονται σταματώντας τη διαδικασία την οποία ελέγχουν. εσφαλμένα, Πριν να δώσουν αποσυνδεθούν ενδέχεται δηλαδή λάθος να εντολές και λειτουργήσουν να δημιουργήσουν δυσλειτουργίες στις συσκευές που βρίσκονται υπό τον έλεγχο τους. Επίσης, οι διακόπτες φορτίου (contactors) που χρησιμοποιούνται για την σύνδεση κινητήρων στο διάρκεια ενός προκαλώντας δίκτυο τέτοιου ενδεχομένως να ανοίξουν κατά την φαινομένου αποσυνδέοντας τους κινητήρες και προβλήματα στην παραγωγική διαδικασία στην οποία εμπλέκονται. 1.2.3 ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΦΑΙΝΟΜΕΝΟΥ & ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΒΥΘΙΣΕΩΝ ΤΑΣΗΣ Τα κύρια χαρακτηριστικά του φαινομένου της βύθισης τάσης είναι η διάρκεια του και το μέγεθος της τάσης. Για βυθίσεις τάσης που προκαλούνται από σφάλματα, το μέγεθος της τάσης εξαρτάται από την απόσταση του σφάλματος από το φορτίο, τις διασυνδέσεις του δικτύου καθώς και το πόσο δυνατό ή ασθενές είναι το δίκτυο (ισχύς βραχυκύκλωσης) στο PCC (point of common coupling - το σημείο όπου ενώνονται ηλεκτρικά το φορτίο, το σφάλμα και η παροχή του δικτύου). Ο τύπος μετασχηματιστών μεταξύ του του σφάλματος σφάλματος και και οι του συνδεσμολογίες φορτίου είναι ισχύος των επίσης καθοριστικοί παράγοντες του μεγέθους της τάσης. Η διάρκεια εξαρτάται κυρίως από το πόσο γρήγορα θα λειτουργήσει το σύστημα προστασίας του δικτύου προκειμένου να απομονωθεί το τμήμα του δικτύου όπου 5

Διπλωματική Εργασία Κεφάλαιο 1 : Η έννοια της ποιότητας ισχύος εμφανίστηκε το σφάλμα. Οι χρόνοι που υπεισέρχονται εδώ είναι τόσο ο χρόνος εντοπισμού του σφάλματος (δηλαδή ο τύπος προστασίας που χρησιμοποιείται: ηλεκτρονόμοι αποστάσεως, διαφορική προστασία, ηλεκτρονόμοι υπερρεύματος, ασφάλειες κτλ) καθώς και ο χρόνος λειτουργίας των συσκευών διακοπής του ρεύματος (διακόπτες ισχύος, ασφάλειες κτλ). Βυθίσεις τάσης λόγω της σύνδεσης μεγάλων κινητήρων προκαλούνται λόγω των μεγάλων ρευμάτων εκκινήσεως και έχουν χαρακτηριστικά που εξαρτώνται από το μέγεθος των κινητήρων, τα χαρακτηριστικά τους (αδράνεια, τρόπος εκκίνησης κτλ) καθώς και από την ισχύ βραχυκύκλωσης στο PCC. Οι μετρήσεις βύθισης τάσης γίνονται µέσω σκανδαλισμού: καταγράφεται η τάση κάθε φάσης από τη στιγμή που έστω µία θα ξεπεράσει κάποιο όριο (συνήθως +/10% της ονομαστικής) και τερματίζεται η καταγραφή όταν επανέλθουν όλες οι τάσεις όλων των φάσεων εντός του ορίου αυτού. Οι μετρήσεις βυθίσεων τάσεων οι οποίες έγιναν σε μεγάλα χρονικά διαστήματα παρουσιάζονται µε τέτοιο τρόπο ώστε να είναι ευκολότερη η εκτίμηση της επίδρασής τους στα ευαίσθητα φορτία. 1.2.3 ΠΡΟΣΠΑΘΕΙΕΣ ΜΕΙΩΣΗΣ ΒΥΘΙΣΕΩΝ ΤΑΣΗΣ Από την πλευρά της εταιρίας ηλεκτρισμού, προσπάθεια μείωσης του αριθμού βυθίσεων τάσης συνεπάγεται προσπάθεια μείωσης του αριθμού σφαλμάτων. Αυτό επιτυγχάνεται µε συχνότερη συντήρηση και επιθεώρηση του δικτύου και του εξοπλισμού. Η χρήση υπόγειων καλωδίων αντί για εναέριες γραμμές μειώνει τη συχνότητα σφαλμάτων λόγω κεραυνών. Επίσης, βελτίωση των χρόνων λειτουργίας του συστήματος προστασίας μειώνει τη διάρκεια των βυθίσεων τάσης. Αλλαγές στην τρόπο µε τον οποίο συνδέεται το φορτίο µε το δίκτυο μπορούν επίσης να μειώσουν την πτώση τάσης κατά την διάρκεια ενός σφάλματος (για παράδειγμα η σύνδεση από διαφορετικά σημεία του δικτύου). Από την πλευρά των καταναλωτών, βοήθεια μπορεί να αναζητηθεί σε συσκευές αποθήκευσης ενέργειας (πχ UPS) ή υποστήριξης της τάσης (DVR), συσκευή την 6

Διπλωματική Εργασία Κεφάλαιο 1 : Η έννοια της ποιότητας ισχύος οποία θα αναλύσουμε διεξοδικά στην παρούσα εργασία. Η διεθνής εμπειρία δείχνει ότι για τα PLC η χρήση UPS είναι τις περισσότερες φορές απαραίτητη και οικονομικά τεκμηριωμένη. Για τους ηλεκτρονικούς υπολογιστές τα UPS είναι πλέον κοινή πρακτική. Σημαντικό επίσης είναι να είναι γνωστή η ικανότητα του φορτίου να συνεχίσει να λειτουργεί σε υπολογιστές η περίπτωση βύθισης τάσης. καμπύλη Για τους ηλεκτρονικούς ITIC (Information Technology Industry Council) δείχνει την τυπική αντοχή τους σε κλίμακα μεγέθους-διάρκειας και μπορεί να χρησιμοποιηθεί προκειμένου να εξετασθεί εάν µια βύθιση δημιουργεί πρόβλημα ή όχι (Σχ. 2). Λειτουργία ενός υπολογιστή ορίων της καμπύλης οδηγεί σε απώλεια δεδομένων, σε τάσης εκτός των λανθασμένες ενέργειες, απενεργοποίηση της συσκευής ακόμα και καταστροφή στοιχείων του. Σχ.1.2: Καμπύλη ITIC (υπό συνθήκες υπέρτασης η συσκευή κινδυνεύει από βλάβη, ενώ υπό συνθήκες μειωμένης τάσης η συσκευή ενδέχεται να σταματήσει να λειτουργεί) 7

Διπλωματική Εργασία Κεφάλαιο 1 : Η έννοια της ποιότητας ισχύος Όλα τα παραπάνω βέβαια υπόκεινται σε οικονομικούς περιορισμούς και μελέτες που πρέπει να εκπονηθούν προκειμένου να αιτιολογηθεί το επιπλέον κόστος. 1.3 ΔΙΑΚΟΠΕΣ ΤΑΣΗΣ Σύμφωνα με τις διεθνείς προδιαγραφές οι διακοπές χωρίζονται σε δύο κατηγορίες: μικρής διάρκειας (μικρότερης από 3 λεπτά) και μεγάλης διάρκειας (μεγαλύτερης από 3 λεπτά). Οι διακοπές μεγάλης διάρκειας οφείλονται είτε σε κάποιο σοβαρό σφάλμα, το οποίο δεν καθάρισε με την λειτουργία του συστήματος προστασίας και χρειάζεται αποκατάσταση επιτόπου, είτε λόγω προγραμματισμένων εργασιών συντήρησης στο δίκτυο. Οι διακοπές μικρής διάρκειας προέρχονται από τη λειτουργία διακοπτών αυτόματης επαναφοράς (reclosers) και επαναφορά του δικτύου μετά από σφάλμα. Η διαδικασία αυτή είναι συνηθισμένη σε δίκτυα διανομής και εφαρμόζεται διότι μεγάλο ποσοστό των σφαλμάτων δεν είναι μόνιμα και εξαφανίζονται μετά την λειτουργία του συστήματος προστασίας. Οι διακοπές μπορούν να θεωρηθούν ειδική περίπτωση βυθίσεων τάσης (όπου η τάση γίνεται μηδέν) και όσο αφορά την επίδραση τους στα φορτία ισχύει ό,τι και για την επίδραση των βυθίσεων τάσης. Σε εργοστασιακό περιβάλλον μία διακοπή μπορεί να προκαλέσει καταστροφική διακοπή της παραγωγικής αλυσίδας αυξάνοντας τον αριθμό των προϊόντων που απορρίπτονται ή των υλικών που απομακρύνονται. Σε μερικές περιπτώσεις, οι διακοπές μπορεί να αυξήσουν τον κίνδυνο να καταστραφούν οι συσκευές ή ακόμα και τον τραυματισμό του προσωπικού. Ο πιο συνηθισμένος τρόπος για την αποφυγή προβλημάτων από τις διακοπές είναι η εγκατάσταση συστημάτων UPS και ηλεκτροπαραγωγών ζευγών. Βελτίωση από την μεριά του δικτύου μπορεί να επιτευχθεί μειώνοντας αφενός την συχνότητα των σφαλμάτων και αφετέρου μειώνοντας την διάρκεια των διακοπών. Μείωση της διάρκειας των διακοπών μπορεί να γίνει με αξιοποίηση των μοντέρνων συστημάτων 8

Διπλωματική Εργασία Κεφάλαιο 1 : Η έννοια της ποιότητας ισχύος προστασίας. Σχήματα τα οποία προβλέπουν την ανταλλαγή πληροφοριών μέσω τηλεπικοινωνιακών συστημάτων αυξάνουν την αποτελεσματικότητα στον εντοπισμό του σφάλματος, επιταχύνουν τους χρόνους προστασίας αλλά και μειώνουν τον χρόνο αποκατάστασης σφαλμάτων. 1.4 ΥΠΕΡΤΑΣΕΙΣ Οι παροδικές υπερτάσεις είναι στιγμιαίες ανυψώσεις της τάσης (το αντίθετο των βυθίσεων). Οι ίδιοι παράμετροι που χρησιμοποιούνται για κατηγοριοποίηση των βυθίσεων χρησιμοποιούνται και για την κατηγοριοποίηση των παροδικών ανυψώσεων. Οι υπερτάσεις που εμφανίζονται κατά την διάρκεια λειτουργίας ενός δικτύου μπορούν να γίνουν ιδιαίτερα επικίνδυνες για τον εξοπλισμό του αλλά και για τα φορτία. Υπερτάσεις προκαλούνται από κεραυνούς (και μπορεί να οδηγήσουν σε σφάλματα), προβλήματα σε διακόπτες ισχύος, άλλα φαινόμενα διακοπής και σφάλματα. Διακόπτες ισχύος που διακόπτουν πρόωρα το ρεύμα το οποίο εισέρχεται από αυτούς (όχι στο σημείο όπου το ρεύμα γίνεται μηδέν) προκαλούν μεγάλες υπερτάσεις. Το φαινόμενο μπορεί να εμφανιστεί όταν διακόπτες ισχύος προσπαθούν να διακόψουν μικρά επαγωγικά ρεύματα και ενδέχεται να οφείλεται σε προβλήματα των επαφών του. Οι υπερτάσεις αυτές είναι τυπικά μικρής διάρκειας αλλά μπορεί να φτάσουν σε μέγεθος 3 φορές την ονομαστική τιμή. Υπερτάσεις μεγαλύτερης διάρκειας εμφανίζονται κατά την διάρκεια μονοφασικών σφαλμάτων σε αγείωτα δίκτυα ή δίκτυα γειωμένα μέσω σύνθετης αντίστασης (voltage swells). Οι υπερτάσεις στην χειρότερη περίπτωση είναι ίσες με την πολική τάση του δικτύου, εμφανίζονται στις υγιείς φάσεις και διαρκούν όσο διαρκεί το σφάλμα. Υπερτάσεις μικρής διάρκειας αλλά μεγάλου μεγέθους ενδεχομένως να σημειωθούν κατά την σύνδεση πυκνωτών στο δίκτυο. Το μέγεθός τους μπορεί να φτάσει μέχρι και 2 φορές την ονομαστική τάση και αυτό εγκυμονεί κινδύνους για την 9

Διπλωματική Εργασία Κεφάλαιο 1 : Η έννοια της ποιότητας ισχύος λειτουργία αλλά και την ασφάλεια ηλεκτρονικών συσκευών. Περιπτώσεις έχουν καταγραφεί όπου εξαιτίας τέτοιων υπερτάσεων σημειώθηκαν βλάβες των ηλεκτρονικών τμημάτων συσκευών όπως αξονικοί τομογράφοι και κινητήρες ελεγχόμενης ταχύτητας. Η σύνδεση πυκνωτή προκαλεί µια ταλάντωση μεταξύ του πυκνωτή που ενεργοποιείται και του συστήματος. Η ταλάντωση αυτή μεταδίδεται στο δίκτυο και διαμέσου των μετασχηματιστών φτάνει στους Άλλες υπερτάσεις (πχ λόγω κεραυνών), συχνότητες ανακλώνται που συνδέονται με καταναλωτές. υψηλότερες στο μετασχηματιστή και δε δημιουργούν προβλήματα στα φορτία. Οι τρόποι επίλυσης θα μπορούσαν να είναι οι ίδιοι με αυτούς για τις βυθίσεις. Όμως λόγω της μικρής συχνότητας και έκτασης του φαινομένου στην πράξη δεν λαμβάνονται κάποια μέτρα αποκλειστικά για αυτό το πρόβλημα (- παρουσιάζονται με πολύ μικρότερη συχνότητα στα συστήματα διανομής συγκριτικά με τις βυθίσεις τάσεων). Ενέργειες που γίνονται και για άλλες διαταραχές εξομαλύνουν και τα αποτελέσματα αυτών των διαταραχών. 1.5 ΦΛΙΚΕΡ Το φλίκερ, ή αλλιώς γρήγορη διακύμανση της τάσης που οδηγεί σε τρεμόπαιγμα στο φως, είναι μία οπτική ενόχληση λόγω αστάθειας της έντασης του φωτός (τρεμόπαιγμα). Η διακύμανση του πλάτους της τάσης είναι συνήθως σε επίπεδο χαμηλότερο του 3% της παρεχόμενης τάσης και δεν έχει κάποια αξιοπρόσεκτη επίδραση στον εξοπλισμό. Κύρια πηγή δημιουργίας του φαινομένου της διακύμανσης της τάσης είναι τα ηλεκτρικά τόξα των ηλεκτρικών κλιβάνων, οι μηχανές συγκόλλησης και παρόμοια «βαριά» φορτία που καταναλώνουν ρεύματα με μεγάλη διακύμανση. Φλίκερ μπορεί να εμφανιστεί με την παρουσία ενδιάμεσων αρμονικών σε μία συχνότητα κοντά στην θεμελιώδη ή και σε αρμονική. Οι διακυμάνσεις τάσεως προκαλούνται όταν τα φορτία καταναλώνουν ρεύματα που έχουν σημαντικές αιφνίδιες ή περιοδικές διακυμάνσεις. Το κυμαινόμενο ρεύμα που 10

Διπλωματική Εργασία Κεφάλαιο 1 : Η έννοια της ποιότητας ισχύος καταναλώνεται από την παροχή προκαλεί πρόσθετες μειώσεις τάσεως στο σύστημα τροφοδοσίας, που οδηγούν σε διακυμάνσεις της παρεχόμενης τάσης. Τα φορτία που παρουσιάζουν συνεχείς, γρήγορες διακυμάνσεις (όπως ηλεκτρικοί κάμινοι, ηλεκτροσυγκολλητές, εγκαταστάσεις με συχνές εκκινήσεις κινητήρων, μονάδες κλιματισμού, ανεμιστήρες, μηχανισμοί κινητήρων με κυκλική λειτουργία, ελασματουργεία, μηχανήματα με μεγάλες αλλαγές ταχύτητας των κινητήρων, πριόνια και μηχανήματα διάλυσης αυτοκινήτων) είναι λοιπόν εκείνα που πιθανότατα θα προκαλέσουν διακυμάνσεις τάσεως. Οι συχνές, γρήγορες διακυμάνσεις σε ρεύματα φορτίου αποδίδονται στις λειτουργίες εκκίνησης κινητήρων, όπου το ρεύμα του κινητήρα συνήθως είναι 3-5 φορές το ονομαστικό ρεύμα για μία σύντομη χρονική περίοδο. Εάν ένας αριθμός κινητήρων τίθεται σε λειτουργία την ίδια ώρα, ή αν ο ίδιος κινητήρας ξεκινά και σταματά επανειλημμένα, η συχνότητα των αλλαγών της τάσεως μπορεί να προκαλέσει μαρμαρυγή (τρεμοπαίξιμο) στις εγκαταστάσεις φωτισμού, που θα είναι ορατή με γυμνό μάτι. 1.6 ΑΣΥΜΜΕΤΡΙΑ ΦΑΣΕΩΝ Σε ένα συμμετρικό τριφασικό σύστημα παροχής, οι φασικές τάσεις των τριών γραμμών είναι ίσες σε μέγεθος και διαφέρουν ανά φάση μεταξύ τους κατά 120 (το ίδιο συμβαίνει και για τις πολικές με διαφορετικά μέτρα και γωνίες από τις φασικές αλλά ίσα μεταξύ τους και γωνίες μεγαλύτερες κατά 30 από τις αντίστοιχες φασικές). Ασυμμετρία τάσεως εμφανίζεται όταν είτε υπάρχει διαφορά στην ενεργό τιμή της τάση μεταξύ των φάσεων είτε επειδή η γωνία μεταξύ των φάσεων αποκλίνει από τις 120. Το φαινόμενο αυτό παρατηρείται όταν η κατανάλωση ρεύματος είναι ασύμμετρα κατανεμημένη στις τρεις φάσεις ή κατά την διάρκεια σφαλμάτων πριν προλάβει να λειτουργήσει η προστασία. 11

Διπλωματική Εργασία Κεφάλαιο 1 : Η έννοια της ποιότητας ισχύος Σχ.1.3: Αντιπαραβολή συμμετρικού με ασύμμετρο τριφασικό σύστημα Η ασυμμετρία των φάσεων επηρεάζει κυρίως τους τριφασικούς ασύγχρονους κινητήρες στους οποίους προκαλεί υπερθέρμανση και επίσης επηρεάζει τον εξοπλισμό προστασίας των κυκλωμάτων. Επιπλέον της μειωμένης απόδοσης, της υπερθέρμανσης και της μείωσης του χρόνου ζωής της μόνωσης, οι επαγωγικοί κινητήρες που λειτουργούν σε κατάσταση ασυμμετρίας θα κάνουν πολύ θόρυβο κατά τη λειτουργία τους, λόγω των κραδασμών από την στροφορμή και την ταχύτητα. Προφανώς σε τέτοιες περιπτώσεις η στροφορμή και ταχύτητα θα είναι μικρότερη της κανονικής. Η επίτευξη μηδενικού βαθμού ασυμμετρίας μεταξύ των φάσεων σε ένα σύστημα διανομής είναι προφανώς αδύνατη. Παρόλα αυτά, υπάρχουν τεχνικές βελτίωσης της συμμετρικότητας τόσο σε επίπεδο παραγωγής όσο και σε επίπεδο κατανάλωσης, οι οποίες μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την μείωση του συντελεστή ασυμμετρίας της φάσεων και των επιπτώσεών της. 1.7 ΑΡΜΟΝΙΚΕΣ Η ύπαρξη αρμονικών στη τάση και την ένταση (υπέρθεση συχνοτήτων πολλαπλάσιων της θεμελιώδους - 50 Hz) οφείλεται κυρίως στην ύπαρξη μη γραμμικών φορτίων, φορτίων δηλαδή, όπου το ρεύμα έχει διαφορετική κυματομορφή από αυτήν της τάσης. Μέσω της τάσης και σε συνάρτηση με την ισχύ βραχυκυκλώσεως του δικτύου, οι αρμονικές που παράγονται σε ένα σημείο μεταδίδονται και μπορούν να δημιουργήσουν προβλήματα σε άλλα φορτία. 12

Διπλωματική Εργασία Κεφάλαιο 1 : Η έννοια της ποιότητας ισχύος 1.7.1 ΟΡΙΣΜΟΣ ΚΑΙ ΜΕΤΡΗΣΗ ΑΡΜΟΝΙΚΩΝ Οποιαδήποτε περιοδική απόκλιση από την καθαρά ημιτονοειδή μορφή της τάσης μπορεί να αναπαρασταθεί με ένα άθροισμα από καθαρά συνημίτονα με συχνότητα ίση με την ονομαστική και ακέραια πολλαπλάσια αυτής. Η ονομαστική συχνότητα ονομάζεται θεμελιώδης συχνότητα. Μία ημιτονοειδής κυματομορφή με συχνότητα k φορές μεγαλύτερη από την θεμελιώδη (το k είναι ακέραιος αριθμός) καλείται αρμονική διαταραχή. Ο λόγος μεταξύ της αρμονικής συχνότητας και της θεμελιώδης συχνότητας (k) καλείται τάξη της αρμονικής. Σχ.1.4: Ανάλυση ημιτονοειδούς σήματος, όπου διακρίνονται οι αρμονικές 1ης, 3ης, 5ης και 7ης τάξης. Η παρουσία αρμονικών υπολογίζεται μέσω του δείκτη ολικής αρμονικής παραμόρφωσης (THD) (total harmonic distortion). Αρμονικές της τάσης καταγράφονται με τον δείκτη ολικής αρμονικής παραμόρφωσης της τάσης (THDU). Ο THDU είναι ο λόγος της ενεργού τιμής της αρμονικής τάσης προς την ενεργό τιμή της τάσης της θεμελιώδους συχνότητας, όπως φαίνεται και από την εξίσωση (1.1). Ο THD συχνά δίνεται σαν ποσοστό. = = (1.1) 13

Διπλωματική Εργασία Κεφάλαιο 1 : Η έννοια της ποιότητας ισχύος Όπου Vk = η ενεργός τιμή της τάσης της αρμονικής τάξης k, V1 η ενεργός τιμή της τάσης της θεμελιώδους συνιστώσας, τάξεως k, και το πλάτος της τάσης της αρμονικής το πλάτος της τάσης της θεμελιώδους συνιστώσας. Στο Σχήμα 1.5 (a) παρουσιάζεται μία τυπική κυματομορφή παρεχόμενης τάσης σε μία κατοικημένη περιοχή ή ένα ελαφρά (από άποψη ηλεκτρικών φορτίων) εργοστασιακό περιβάλλον. Συσκευές διακοπτικής λειτουργίας προκαλούν μία επιπεδοποίηση της κορυφής της κυματομορφής. Στο διάγραμμα του Σχήματος 1.5 (b) φαίνεται το φάσμα της συχνότητας και δείχνει την παραμόρφωση της μιας ημιτονοειδούς κυματομορφής που προκύπτει από τις αρμονικές της τάσης. Κάθε αρμονική μπορεί να εκφραστεί με το πλάτος της (ck) την ενεργό τιμή της τάσης (Uk) και μία ποσοστιαία τιμή (uk). Η ποσοστιαία αναπαράσταση είναι αυτή που χρησιμοποιείται συχνότερα σε θέματα ποιότητας ισχύος. Για τις ανάγκες μέτρησης της ποιότητας ισχύος η μέγιστη τάξη της μετρούμενης αρμονικής θα μπορούσε να μειωθεί στην 50η τάξη, πράγμα που σημαίνει 2500Hz για ένα δίκτυο συχνότητας 50Hz. Διαφορά φάσης μεταξύ των αρμονικών και της θεμελιώδους τάσης δεν θεωρείται σαν πρόβλημα της ποιότητας ισχύος. Παρόλα αυτά, διαφορά φάσης μεταξύ αρμονικών ρευμάτων και τάσεων της ίδιας τάξης μπορούν να χρησιμοποιηθούν για μια γεννήτρια αρμονικής παραμόρφωσης. Σχ.1.5: Φασματική απεικόνιση μιας συνήθους κυματομορφής τάσης, καλούμενης κι ως πριονισμένης κορυφής 14

Διπλωματική Εργασία Κεφάλαιο 1 : Η έννοια της ποιότητας ισχύος Ό,τι παρουσιάστηκε για την αρμονική παραμόρφωση της τάσης και τον δείκτη ολικής αρμονικής παραμόρφωσης THDU μπορεί ανάλογα να χρησιμοποιηθεί και για την αρμονική παραμόρφωση του ρεύματος και τον δείκτη ολικής αρμονικής παραμόρφωσης THDI, ο οποίος δίνεται από την εξίσωση (1.2). = όπου Ι = = (1.2) η ενεργός τιμή της αρμονικής ρεύματος τάξης k, I1 η ενεργός τιμή του ρεύματος της θεμελιώδους συνιστώσας, ci k το πλάτος του ρεύματος της αρμονικής τάξεως k και ci1 το πλάτος του ρεύματος της θεμελιώδους συνιστώσας. 1.7.2 ΕΝΔΙΑΜΕΣΕΣ ΑΡΜΟΝΙΚΕΣ Τάσεις ή ρεύματα που έχουν συχνότητα η οποία δεν είναι ακέραιο πολλαπλάσιο της συχνότητας με την οποία το σύστημα τροφοδοσίας είναι σχεδιασμένο να λειτουργεί (50 ή 60 Hz) καλούνται ενδιάμεσες αρμονικές. Οι επιπτώσεις των ενδιάμεσων αρμονικών δεν είναι ακόμα πλήρως κατανοητές για αυτό και δεν θα αναλυθούν περαιτέρω. Έχει αποδειχθεί πάντως ότι επηρεάζουν τις γραμμές μεταφοράς και προκαλούν οπτική αστάθεια (flicker) σε οθόνες και αλλά οπτικά μέσα, όπως σωλήνες καθοδικών ακτίνων (CRTs). 15

Διπλωματική Εργασία Κεφάλαιο 1 : Η έννοια της ποιότητας ισχύος 1.7.3 ΑΠΟ ΤΙ ΠΡΟΚΑΛΕΙΤΑΙ Η ΔΙΑΤΑΡΑΧΗ Στο Σχήμα 1.6 φαίνεται η αρχή της δημιουργίας των αρμονικών. Κοιτώντας το κύκλωμα από την πλευρά του καταναλωτή, το ισοδύναμο κύκλωμα του υπόλοιπου δικτύου (ισοδύναμο Thevenin) μπορεί να αναπαρασταθεί από μία γεννήτρια G με αντίδραση Xs (σε περίπτωση άπειρου δικτύου δεν θα υπήρχε αντίδραση και οποιαδήποτε μεταβολή και αν γινόταν στο ρεύμα δεν θα ήταν αντιληπτή στο φορτίο). Η τάση της γεννήτριας θεωρείται σαν μία καθαρά ημιτονοειδής τάση με ονομαστική ενεργό τιμή. Η τάση στα άκρα του φορτίου του καταναλωτή διαφέρει από την τάση της γεννήτριας στην πτώση τάσης στην αντίδραση Xs του ισοδύναμου κυκλώματος. Στην περίπτωση ενός γραμμικού φορτίου το ρεύμα και κατ επέκταση η πτώση τάσης στην αντίδραση θα είναι επίσης ημιτονοειδής. Η τάση στα άκρα του καταναλωτή θα έχει και αυτή ημιτονοειδή μορφή τάσης με λίγο μειωμένο πλάτος, αλλά την ίδια φάση με αυτή της πηγής. Σχ.1.6: Ισοδύναμο κύκλωμα συστήματος με γραμμικό φορτίο, όπου με G συμβολίζονται τα στοιχεία της γεννήτριας, με s οι αντιδράσεις των ισοδυνάμων Thevenin και L τα στοιχεία του καταναλωτή. Μη γραμμικά φορτία (ανορθωτές, οδηγοί ταχύτητας μηχανών, φωτισμός φθορίου, υπολογιστές, τηλεοράσεις) απορροφούν ρεύμα με μεγάλο συντελεστή THDI (αισθητά μη ημιτονοειδής μορφή τάσης). Για λόγους καλύτερης ανάλυσης, τα μη γραμμικά φορτία θα μπορούσαν να αναπαρασταθούν σαν γραμμικά φορτία μαζί με μία γεννήτρια αρμονικών (Σχήμα 1.7). Οι αρμονικές του ρεύματος προκαλούν μία μη-ημιτονοειδή πτώση τάσης στην αντίδραση του ισοδύναμου κυκλώματος Xs και κατ επέκταση μία μη-ημιτονοειδή παραμόρφωση στην παρεχόμενη τάση από την πηγή, όπως αυτή φαίνεται στα άκρα του φορτίου. Μη-γραμμικά φορτία διαταράσσουν την παρεχόμενη τάση κατά τέτοιο τρόπο που μόνο αρμονικές περιττής τάξης μπορούν να μετρηθούν με μετρητικά όργανα. 16

Διπλωματική Εργασία Κεφάλαιο 1 : Η έννοια της ποιότητας ισχύος Σχ.1.7: Ισοδύναμο κύκλωμα συστήματος με μη γραμμικό φορτίο, όπου με G συμβολίζονται τα στοιχεία της γεννήτριας, με s οι αντιδράσεις των ισοδυνάμων Thevenin και L τα στοιχεία του καταναλωτή. Αν το φορτίο είναι μη-συμμετρικά ελεγχόμενο, τότε η θετική ημιπερίοδος του ρεύματος μπορεί να διαφέρει από την αρνητική με αποτέλεσμα να δημιουργηθούν άρτιας τάξης αρμονικές και επίσης DC συνιστώσα. Αυτή η κατάσταση προκαλεί κορεσμό και υπερθερμάνσεις στον πυρήνα των μετασχηματιστών. 1.7.4 ΟΙ ΠΗΓΕΣ ΤΩΝ ΑΡΜΟΝΙΚΩΝ ΔΙΑΤΑΡΑΧΩΝ Μερικές από τις πηγές των αρμονικών που εμφανίζονται στα δίκτυα παροχής ηλεκτρικής ενέργειας είναι: Στρεφόμενες ηλεκτρικές μηχανές: Οι αρμονικές οφείλονται στις οδοντώσεις του πυρήνα και στις ατέλειες των μαγνητικών κυκλωμάτων τους. Ρεύματα μαγνήτισης των Μ/Σ: Οι αρμονικές οφείλονται στο μαγνητικό κορεσμό των πυρήνων και στη μαγνητική υστέρηση.. Μη γραμμικότητες δικτύου: Προκύπτουν από φορτία όπως ανορθωτές, μετατροπείς, κλίβανοι ηλεκτρικού τόξου, μηχανήματα ηλεκτροσυγκόλλησης τόξου, λαμπτήρες αερίου, ελεγκτές τάσης, μετατροπείς συχνότητας κ.ά. Τριφασικά φορτία : εισάγουν κυρίως αρμονικές περιττής τάξεως (5η, 7η, 11η, 13η, 17η αρμονική). Συσκευές που συνδυάζουν ημιαγωγούς και συστήματα διακοπής (για εξοικονόμηση ενέργειας). 17

Διπλωματική Εργασία Κεφάλαιο 1 : Η έννοια της ποιότητας ισχύος Συσκευές ελέγχου των κινητήρων σε εφαρμογές ελέγχου ταχύτητας έλξης (π.χ. ηλεκτρικοί σιδηρόδρομοι). Συσκευές μετατροπής και μεταφοράς ηλεκτρικής ισχύος με συνεχές ρεύμα υψηλής τάσεως. Ηλιακά και αιολικά συστήματα μικρής ισχύος με τους αντίστοιχους μετατροπείς ισχύος από εναλλασσόμενο σε συνεχές ρεύμα για τη σύνδεση των πηγών με τα συστήματα διανομής. Συστήματα διόρθωσης συντελεστή ισχύος: Η χρήση συστοιχιών πυκνωτών προκαλεί παραγωγή αρμονικών λόγω συντονισμού, όπως επίσης και η χρήση πηνίων αντιστάθμισης που χρησιμοποιούνται για την εξουδετέρωση χωρητικών φορτίσεων (π.χ. μεγάλων γραμμών μεταφοράς). Άλλος λόγος δημιουργίας αρμονικών στα ανωτέρω συστήματα είναι τα θυρίστορ, που περιλαμβάνονται στις νέες μεθόδους διόρθωσης του συντελεστή ισχύος. Συσκευές φόρτισης συσσωρευτών: Απαιτούν χρήση ανορθωτών και χρησιμοποιούνται για παράδειγμα σε ηλεκτρικά οχήματα που λειτουργούν με συσσωρευτές. Συσκευές άμεσης μετατροπής ενέργειας: (π.χ. μαγνητο-υδροδυναμική μετατροπή, κύτταρα καυσίμου, κλπ) απαιτούν μετατροπείς από εναλλασσόμενο σε συνεχές ρεύμα. Κυκλομετατροπείς (cycloconverters): χρησιμοποιούνται σε κινητήρες χαμηλών ταχυτήτων και μεγάλων ροπών, κυρίως σε βιομηχανικές εφαρμογές. Στοιχεία θέρμανσης PBM (Pulse Burst-Modulated): χρησιμοποιούνται σε μεγάλους κλιβάνους. Παρακάτω παρουσιάζονται για διάφορα είδη φορτίων η κυματομορφή και η ενδεικτική αρμονική παραμόρφωση: 18

Διπλωματική Εργασία Κεφάλαιο 1 : Η έννοια της ποιότητας ισχύος Σχ.1.8:Πίνακας που παρουσιάζει την κυματομορφή και την ενδεικτική αρμονική παραμόρφωση για διάφορα είδη φορτίων. 1.7.5 ΟΙ ΣΥΝΕΠΕΙΕΣ ΛΟΓΩ ΤΩΝ ΑΡΜΟΝΙΚΩΝ Οι επιπτώσεις των αρμονικών συνδέονται µε την αύξηση είτε του πλάτους είτε της ενεργού τιμής είτε του φάσματος τόσο της τάσης όσο και της έντασης. Ο εξοπλισμός αποκρίνεται διαφορετικά κατά την εφαρμογή σε αυτόν αρμονικής τάσης και εξαρτάται σημαντικά από την μέθοδο λειτουργίας. Για παράδειγμα, οι 19

Διπλωματική Εργασία Κεφάλαιο 1 : Η έννοια της ποιότητας ισχύος λαμπτήρες πυρακτώσεως και οι περισσότεροι τύποι οικιακών θερμοσιφώνων και θερμαστρών δεν επηρεάζονται σχεδόν καθόλου. Εξαιτίας των αρμονικών ενδέχεται να λειτουργήσουν λανθασμένα συσκευές προστασίας ειδικά αυτές που χρησιμοποιούν θερμικά μοντέλα. Αν ο υπολογισμός της ενεργού τιμής της έντασης γίνεται χρησιμοποιώντας τη μέγιστη τιμή της κυματομορφής της αυξάνεται η πιθανότητα λάθους και ανεπιθύμητης λειτουργίας της προστασίας. Για τον ίδιο λόγο λάθη παρουσιάζονται σε μετρητικές συσκευές. Οι αρμονικές επίσης είναι η αιτία για προβλήματα στη λειτουργία ηλεκτρονικών συστημάτων. Οι αρμονικές επίσης προκαλούν υπερφόρτιση (δηλαδή υπερθέρμανση) και αυξάνουν τις δονήσεις και τον θόρυβο (μηχανική καταπόνηση) σε συσκευές όπως μετασχηματιστές, μηχανές και πίνακες χαμηλής τάσης. αρμονικές προκαλούν πρόωρη γήρανση των τον αγωγό ουδετέρου Μακροχρόνια οι συσκευών. Επίσης υπερθερμαίνουν καθώς προστίθενται και δίνουν ρεύματα κατά πολύ μεγαλύτερα απ όταν τα φορτία είναι γραμμικά. Οι πυκνωτές είναι επίσης ευαίσθητοι στις αρμονικές ιδιαίτερα αν η συχνότητα του συνδυασμόυ πυκνωτή και δικτύου παροχής μέχρι το σημείο σύνδεσης είναι ίδια µε την αρμονική που παράγεται από το φορτίο. Κάτω από αυτές τις συνθήκες προκαλείται συντονισμός, της αρμονικής, υπερθέρμανση του πυκνωτή αύξηση του μεγέθους και ενδεχομένως καταστροφή του διηλεκτρικού του υλικού ή λειτουργία της προστασίας του και αποσύνδεσή του. 1.7.6 ΑΝΤΙΜΕΤΩΠΙΣΗ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΩΝ ΠΟΥ ΔΗΜΙΟΥΡΓΟΥΝ ΟΙ ΑΡΜΟΝΙΚΕΣ Για την αντιμετώπιση των προβλημάτων που προκαλούνται από αρμονικές υπάρχουν μέθοδοι τέτοιες ώστε να μειώσουν, να εξαλείψουν ή να μην επιτρέψουν τη διείσδυση των αρμονικών στο δίκτυο. Οι πιο διαδεδομένες από αυτές είναι: Η τοποθέτηση φίλτρων. Τα φίλτρα μπορεί να είναι είτε ενεργά είτε παθητικά. 20

Διπλωματική Εργασία Κεφάλαιο 1 : Η έννοια της ποιότητας ισχύος Τα παθητικά φίλτρα είναι συνδυασμός πυκνωτών και πηνίων. Στο σχήμα βλέπουμε ένα σύστημα στου οποίου την είσοδο υπάρχουν δύο ειδών φίλτρα ρεύματος. Το ένα φίλτρο είναι ένα χαμηλοπερατό φίλτρο ρεύματος το οποίο μειώνει όλες τις ανώτερες αρμονικές συνιστώσες χωρίς να μειώνει τη θεμελιώδη συνιστώσα. Επίσης, υπάρχει άλλο ένα φίλτρο το οποίο αποτελείται από ένα πηνίο και ένα πυκνωτή σε σειρά και ονομάζεται φίλτρο συντονισμού. Οι τιμές L και C του φίλτρου αυτού επιλέγονται ώστε να συντονίζει (δηλ. να παρουσιάζει μηδενική αντίσταση) στη συχνότητα της ανεπιθύμητης αρμονικής συνιστώσας του ρεύματος που θέλουμε να εξαλείψουμε από την είσοδο της ηλεκτρικής συσκευής. Μπορεί να έχουμε πάνω από ένα συντονισμένο φίλτρο στην είσοδο της συσκευής και την εξάλειψη ενός αριθμού παρασιτικών αρμονικών συνιστωσών. Σχ.1.9: Παθητικά φίλτρα ρεύματος στην είσοδο ενός μη γραμμικού φορτίου. Τα ενεργά φίλτρα είναι διατάξεις ηλεκτρονικών ισχύος που μπορεί να συνδέονται παράλληλα ή σε σειρά με το φορτίο. Τα παράλληλα φίλτρα χρησιμοποιούνται όταν το μη γραμμικό φορτίο συμπεριφέρεται σαν πηγή αρμονικών ρευμάτων, όπως είναι οι μετατροπείς φυσικής μετάβασης με θυρίστορ με μεγάλη dc επαγωγή για συστήματα ηλεκτρικής κίνησης συνεχούς ρεύματος. Τα ενεργά φίλτρα σειράς χρησιμοποιούνται εκεί που το μη γραμμικό φορτίο θεωρείται πηγή αρμονικής τάσης, όπως είναι η συνήθης περίπτωση των αντιστροφέων που έχουν στην είσοδο γέφυρα διόδων και πυκνωτή εξομάλυνσης στο τμήμα συνεχούς ρεύματος. 21

Διπλωματική Εργασία Κεφάλαιο 1 : Η έννοια της ποιότητας ισχύος Σχ.1.10 : (α) παράλληλο και (β) σειράς,ενεργό φίλτρο για τον περιορισμό των αρμονικών Χρησιμοποίηση κατάλληλων τεχνικών παλμοδότησης των μετατροπέων όπως είναι για παράδειγμα η τεχνική Ημιτονοειδούς Διαμόρφωσης Εύρους Παλμών (SPWM). 22

Διπλωματική Εργασία Κεφάλαιο 2 : Τα βασικά στοιχεία του DVR και η PWM τεχνική ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2ο : ΤΑ ΒΑΣΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΤΟΥ DVR ΚΑΙ Η PWM ΤΕΧΝΙΚΗ 2.1 Ο ΔΥΝΑΜΙΚΟΣ ΑΠΟΚΑΤΑΣΤΑΤΗΣ ΤΑΣΗΣ (DVR) - ΓΕΝΙΚΑ Ο Δυναμικός αποκαταστάτης τάσης (DVR Dynamic Voltager Restorer) είναι μία συσκευή, που αξιοποιεί ηλεκτρονικά στοιχεία ισχύος στερεάς κατάστασης και συδέεται σε σειρά με το δίκτυο διανομής. Είναι ικανός να προστατεύει ένα ευαίσθητο φορτίο από την παραμόρφωση της τάσης στην πλευρά της παροχής αυτής κατά τη διάρκεια ενός σφάλματος ή υπερφόρτισης στα συστήματα ενέργειας. Η βασική αρχή ενός τέτοιου σειριακού αντισταθμιστή είναι απλή: Εισάγοντας μία τάση με το απαιτούμενο πλάτος και συχνότητα, ο σειριακός αντισταθμιστής μπορεί να επαναφέρει την τάση στην πλευρά του φορτίου στο επιθυμητό πλάτος και κυματομορφή, ακόμη κι όταν η τάση από την πηγή είναι ασύμμετρη ή παραμορφωμένη. Η συσκευή του DVR χρησιμοποιεί GTO θυρίστορ σε μία δομή αντιστροφέα που λειτουργεί με τη βοήθεια της PWM τεχνικής. Ο DVR μπορεί να παράγει ή να απορροφά ανεξάρτητα ελεγχόμενη πραγματική και άεργο ισχύ στην πλευρά του φορτίου. Ο DVR, επίσης, αποτελείται από έναν διακοπτικό dc σε ac μετατροπέα (δηλ. έναν αντιστροφεα) που εγχέει μία τριφασική εναλλασσόμενη τάση σε σειρά και συγχρονισμένη με τις τροφοδοτούμενες από τη 23

Διπλωματική Εργασία Κεφάλαιο 2 : Τα βασικά στοιχεία του DVR και η PWM τεχνική διανομή τάσεις. Το εύρος και η φασική γωνία των εγχεόμενων τάσεων μεταβάλλονται και έτσι υπάρχει έλεγχος της πραγματικής και της άεργου ισχύος που ανταλλάσσεται μεταξύ του DVR και του συστήματος διανομής. Η dc πλευρά (πλευρά που συνδέεται με την παροχή) ενός DVR συνδέεται σε μία πηγή ενέργείας ή μία συσκευή αποθήκευσης ενέργειας κατάλληλης χωρητικότητας. Η άεργος ισχύς που ανταλάσσεται μεταξύ του DVR και του συστήματος διανομής «δημιουργείται» από τον DVR χωρίς τη συμμετοχή παθητικών άεργων συνιστωσών. Η πραγματική ισχύς που ανταλλάσσεται στην ac πλευρά (πλευρά φορτίου) παρέχεται από την dc πλευρά από μία εξωτερική πηγή ενέργειας ή ένα σύστημα ενεργειακής απόθηκευσης. Η δομή του DVR αποτελείται από ανορθωτή, αντιστροφέα, φίλτρο και συζευγμένο μετασχηματιστή (εικόνα 2.1). Επιπλέον, η PWM τεχνική χρησιμοποιείται για να ελέγχονται οι μεταβαλλόμενες τάσεις. Το φίλτρο χρησιμοποιείται για απαλοιφή των αρμονικών που δημιουργούνται από την υψηλή διακοπτική συχνότητα στην PWM τεχνική. Στα δίκτυα ηλεκτρικής ενέργειας, το σύστημα του DVR συνδέεται σε σειρά με την τροφοδοσία (στο σύστημα διανομής) που τροφοδοτεί ένα ευαίσθητο φορτίο (εικονα 2.2). Εικ.2.1: Η δομή του DVR. 24

Διπλωματική Εργασία Κεφάλαιο 2 : Τα βασικά στοιχεία του DVR και η PWM τεχνική Εικ.2.2: Το σύστημα του DVR στο σύστημα ηλεκτρικής ενέργειας. 2.2 Η ΑΡΧΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΤΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΤΟΥ ΔΥΝΑΜΙΚΟΥ ΑΠΟΚΑΤΑΣΤΑΤΗ ΤΑΣΗΣ (DVR) Σε φυσιολογικές συνθήκες, απουσία βραχυκυκλώματος στο σύστημα ηλεκτρικής ενέργειας, ένας πυκνωτής μεταξύ του ανορθωτή και του αντιστροφέα (εικόνα 2.1) θα φορτίζεται. Όταν συμβεί βύθιση τάσης, αυτός ο πυκνωτής θα αρχίσει να αποφορτίζεται έτσι ώστε να διατηρήσει την παροχή τάσης στο φορτίο. Η ονομαστική τάση θα συγκριθεί με τη βύθιση τάσης προκειμένου να υπολογισθεί μία διαφορά τάσης που θα εγχυθεί από το σύστημα του DVR έτσι ώστε να διατηρηθεί η παροχή τάσης στο φορτίο. Η PWM τεχνική χρησιμοποιείται προκειμένου να ελέγξει αυτήν τη μεταβαλλόμενη τάση. Προκειμένου να διατηρηθεί η τάση του φορτίου, άεργη ισχύς θα πρέπει να εγχυθεί από το σύστημα του DVR. Πρακτικά, η ικανότητα της έγχυσης τάσης από τον DVR είναι περίπου 50% της ονομαστικής τάσης. Αυτό είναι επαρκές για την αποκατάσταση της τάσης διότι στατιστικές μελέτες δείχνουν ότι πολλές βυθίσεις τάσεως που συμβαίνουν στα συστήματα περιλαμβάνουν μειώσεις τάσης μικρότερες από 0,5 p.u. 25 ηλεκτρικής ενέργειας

Διπλωματική Εργασία Κεφάλαιο 2 : Τα βασικά στοιχεία του DVR και η PWM τεχνική 2.3 ΑΠΛΟΥΣΤΕΥΜΕΝΟ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΟ ΜΟΝΤΕΛΟ ΓΙΑ ΤΟΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟ ΤΗΣ ΒΥΘΙΣΗΣ ΤΑΣΗΣ Θεωρώντας το σχήμα 2.3, σε φυσιολογικές συνθήκες (απουσία σφάλματος), το ρεύμα διαμέσου του φορτίου Α και του φορτίου Β είναι ίσο (ισοσταθμισμένο φορτίο). Όταν υπάρξει σφάλμα στο feeder 1, ένα μεγάλο (συγκριτικά με πριν) ρεύμα (ρεύμα βραχυκύκλωσης) θα ρέει στο feeder 1. Έτσι, βασιζόμενοι στο νόμο του Kirchoff, ρεύματα που ρέουν το feeder 2 θα μειωθούν. Συνεπώς, η τάση θα μειωθεί επίσης στο feeder 2. Αυτή η μείωση τάσης (πτώση τάσης) μπορεί να ορισθεί σαν μία βύθιση τάσης. Σχ.2.3: Υπολογισμός της βύθισης τάσης Ας θεωρήσουμε Φορτίο Α = ZLOAD_A Φορτίο Β = ZLOAD_B Feeder 1 άεργη αντίσταση = x1 Feeder 2 άεργη αντίσταση = x2 Ρεύμα από την πηγή παροχής = Ι Ρεύμα στο feeder 1 = Ι1 Ρεύμα στο feeder 2 = I2 26

Διπλωματική Εργασία Κεφάλαιο 2 : Τα βασικά στοιχεία του DVR και η PWM τεχνική Για αυτό : Ι = Ι1 + Ι2. Υπό φυσιολογικές συνθήκες (χωρίς σφάλμα στο σύστημα) : = _ + (1) _ Σε περίπτωση που συμβεί ένα σφάλμα (σχήμα 2.3) στο feeder 1, λόγω βραχυκυκλώματος, ένα μεγάλο ρεύμα θα ρεύσει διαμέσου του feeder 1. Στο διάστημα αυτό, η τάση στο feeder 2 μειώνεται εξαιτίας της αύξησης της πτώσης τάσης στην άεργη αντίδραση xs, κι αυτό δημιουργεί τη βύθιση τάσης. = + Επομένως, = ( ό ά ) (2) (3) Το ρεύμα Ι αυξήθηκε εξαιτίας του σφάλματος (σύγκριση σχέσης (1) και σχέσης (2)), γεγονός που αύξησε την πτώση τάσης πάνω στην xs, και κατ επέκταση μείωσε την τάση V2. 2.4 ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΟ ΜΟΝΤΕΛΟ ΓΙΑ ΤΗΝ ΕΓΧΥΣΗ ΤΑΣΗΣ ΑΠΟ ΤΟ ΣΥΣΤΗΜΑ ΤΟΥ DVR Θεωρώντας το σχηματικό διάγραμμα που φαίνεται στην εικόνα 6, έχουμε: = + + = (4) + (5) Όταν συμβεί μία βύθιση τάσης στο VL, ο δυναμικός αποκαταστάτης τάσης (DVR) θα εγχύσει μία σειριακή τάση (ονομαζόμενη στο εξής VDVR) διαμέσου του 27

Διπλωματική Εργασία Κεφάλαιο 2 : Τα βασικά στοιχεία του DVR και η PWM τεχνική μετασχηματιστή έγχυσης έτσι ώστε το επιθυμητό πλάτος τάσης VL να μπορεί να διατηρηθεί. Συνεπώς: = = + (6) (7) Θεωρώντας ως τάση αναφοράς την τάση του φορτίου VL,προκύπτει: = 0 + ( ) (8) Όπου α, β και δ είναι η γωνία της VDVR, Zth, και Vth αντίστοιχα και θ είναι η γωνία του = tan συντελεστή ισχύος του φορτίου με. Η έγχυση ισχύος από τον DVR μπορεί να γραφεί ως ακολούθως: =. (9) Σχ.2.4: Υπολογισμός της έγχυσης τάσης του DVR. 28

Διπλωματική Εργασία Κεφάλαιο 2 : Τα βασικά στοιχεία του DVR και η PWM τεχνική 2.5 ΟΙ ΒΑΣΙΚΕΣ ΣΥΝΙΣΤΩΣΕΣ ΤΟΥ ΔΥΝΑΜΙΚΟΥ ΑΠΟΚΑΤΑΣΤΑΤΗ ΤΑΣΗΣ (DVR) Η εικόνα 2.5 είναι μία αποπλοιημένη κυκλωματική διάταξη για τον ρόλο και την τοποθεσία του δυναμικού αποκαταστάτη τάσης (DVR) στο σύστημα διανομής. Όταν συμβεί ένα σφάλμα στη γραμμή που τροφοδοτεί το φορτίο 1 (Load 1), η τάση του μειώνεται απότομα στο μηδέν. Το φορτίο 2 (Load 2) έχει πλέον μία τάση μειωμένη (βύθιση τάσης) που ισούται με την τάση στο PCC (point of common coupling - το σημείο όπου ενώνονται ηλεκτρικά το φορτίο, το σφάλμα και η παροχή ισχύος του δικτύου) ενώ η τάση του ευαίσθητου φορτίου που προστατεύεται από τον DVR επαναφέρεται στην προσφαλματική του τιμή. Εικ.2.5: Ο Δυναμικός Αποκαταστάτης Τάσης (DVR) συνδεδεμένος στο δίκτυο διανομής. Με αναφορά στην εικόνα 2.5, οι βασικές συνιστώσες του DVR είναι: Μονάδα Ενεργειακής Αποθήκευσης: Η απαιτούμενη ενέργεια για την αντιστάθμιση της τάσης του φορτίου κατά τη διάρκεια βύθισης τάσης μπορεί να αντληθεί είτε από μία εξωτερική ενεργειακή μονάδα (μπαταρίες) είτε από την ίδια την τροφοδοσία διαμέσου ενός ανορθωτή κι ενός πυκνωτή. Στην ουσία, η χωρητικότητα της αποθηκευμένης ενέργειας είναι άμεσα συνδεδεμένη με τη διάρκεια της βύθισης τάσης που μπορει να αποκατασταθεί από τον DVR. Κύκλωμα Αντιστροφέα: Εξαιτίας του γεγονότος ότι η τεράστια πλειονότητα των βυθίσεων τάσης που παρουσιάζονται στο σύνολο των συστημάτων είναι ασύμμετρες, 29

Διπλωματική Εργασία Κεφάλαιο 2 : Τα βασικά στοιχεία του DVR και η PWM τεχνική οι περισσότερες λόγω μονοφασικών σφαλμάτων, ο VSC (Voltage Source Converter) μετατροπεας συχνά απαιτείται να λειτουργεί με ασύμμετρες διακοπτικές λειτουργίες για τις τρεις φάσεις και γι αυτό θα πρέπει να αποκαθιστά την κάθε φάση ανεξάρτητα. Επιπρόσθετα, μία βύθιση σε μία φάση μπορεί να συνεπάγεται μία ανύψωση σε μία άλλη φάση, συνεπώς ο VSC θα πρέπει να είναι ικανός να χειριστεί τόσο τις βυθίσεις, όσο και τις ανυψώσεις τάσεις ταυτόχρονα. Η μεταβλητή τάση εξόδου του αντιστροφέα επιτυγχάνεται με τη βοήθεια της PWM τεχνικής, όπως ήδη έχουμε αναφέρει. Μονάδα Φίλτρου: Τα μη γραμμικά χαρακτηριστικά των ημιαγωγικών στοιχείων δημιουργούν παραμορφωμένες κυματομορφές συσχετισμένες με τις υψηλής συχνότητας αρμονικές στην έξοδο του αντιστροφέα. Προκειμένου να ξεπερασθεί αυτό το πρόβλημα και να παρέχεται υψηλής ποιότητας ενέργεια, χρησιμοποιείται μία αρμονική μονάδα φίλτρου. Αυτό μπορεί να προκαλέσει πτώση τάσης και φασική μετατόπιση στη θεμελιώδη συνιστώσα της εξόδου του αντιστροφέα και θα πρέπει κανονικά να υπολογίζεται για την τάση της αντιστάθμισης. Μετασχηματιστές Έγχυσης σε Σειρά: Τρεις μονοφασικοί μετασχηματιστές έγχυσης χρησιμοποιούνται για να εγχύσουν στο σύστημα, στο ζυγό του φορτίου, την τάση που λείπει. Για να ενσωματώσουμε το μετασχηματιστή έγχυσης σωστά στον DVR, απαιτούνται τα ονομαστικά MVA του, η τάση του πρωτεύοντος και τα ονομαστικά ρεύματα, ο λόγος μετασχηματισμού και οι τιμές της αντίστασης βραχυκυκλώματος. Η ύπαρξη των μετασχηματιστών επιτρέπουν το σχεδιασμό του DVR σε ένα χαμηλότερο επίπεδο τάσης, που εξαρτάται από το λόγο μετασχηματισμού. Στην περίπτωση αυτή, ο περιοριστικός παράγοντας θα είναι η ικανότητα του αντιστροφέα να αντέξει μεγαλύτερα ρεύματα. Ελεγκτής και Βοηθητικά Κυκλώματα: By-pass διακόπτες, αποζεύκτες, μετρητές και ηλεκτρονόμοι προστασίας είναι κάποιες βοηθητικές συσκευές στο block του DVR, που χρησιμοποιούνται επιπροσθέτως του ελεγκτή του. 30

Διπλωματική Εργασία Κεφάλαιο 2 : Τα βασικά στοιχεία του DVR και η PWM τεχνική 2.6 ΜΕΘΟΔΟΙ ΔΙΟΡΘΩΣΗΣ ΤΑΣΗΣ ΣΤΟΝ DVR Η πιθανότητα αποκατάστασης της βύθισης τάσης μπορεί να περιορισθεί από έναν αριθμό παραγόντων συμπεριλαμβανομένης της πεπερασμένης ονομαστικής ισχύος του DVR, διαφορετικές συνθήκες φορτίου και διαφορετικά είδη βύθισης τάσης. Κάποια φορτία είναι ευαίσθητα σε υπερπήδηση φασικής γωνίας, ενώ άλλα το «ανέχονται». Ως εκ τούτου, η στρατηγική ελέγχου εξαρτάται από τα χαρακτηριστικά του φορτίου. Υπάρχουν τρεις διαφορετικές μέθοδοι για τη διόρθωση της τάσης με τη βοήθεια του DVR, οι οποίες παρατίθενται ακολούθως 2.6.1 ΑΠΟΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΠΡΙΝ ΤΗ ΒΥΘΙΣΗ ΤΑΣΗΣ (Pre-Dip Compensation) Η PDC (Pre-Sag Compensation ή αλλίως και Pre-Dip Compensation) μέθοδος παρακολουθεί την παρεχόμενη τάση συνεχώς και αποκαθιστά την τάση του φορτίου κατά τη διάρκεια του σφάλματος στην προσφαλματική τιμή αυτής. Στη συγκεκριμένη μέθοδο, η τάση του φορτίου μπορεί να επαναφέρεται ιδανικά, αλλά η εγχεόμενη πραγματική ισχύς δεν μπορεί να ελεγχθεί και προσδιορίζεται από εξωτερικές συνθήκες όπως τον τύπο των σφαλμάτων και τις συνθήκες του φορτίου. Η PDC μέθοδος, επιτυγχάνεται χρησιμοποιώντας έναν ανιχνευτή σφάλματος (sag detector) προκειμένου να «παγώσει» την έξοδο από το PLL (Phase Locked Loop) κύκλωμα, όταν συμβαίνει ένα σφάλμα. Εν συνεχεία, η «παγωμένη» αυτή γωνία χρησιμοποιείται για να επαναφέρει τις προηγούμενες συμμετρικές τάσεις του φορτίου χρησιμοποιώντας το μετασχηματισμό Park. Η απουσία ανίχνευσης της αρνητικής ακολουθίας στη μέθοδο αυτή οδηγεί σε ταλάντωση της φάσης στην περίπτωση μονοφασικών σφαλμάτων. Το σχήμα 8, δείχνει το διανυσματικό διάγραμμα μίας φάσης της μεθόδου αυτής. Εν κατακλείδi, με την PDC μέθοδο ο DVR εγχέει κάθε στιγμή τη διαφορά μεταξύ της «κατά τη διάρκεια σφάλματος» τάσης και της προσφαλματικής τάσης στο σύστημα, ενώ αποκαθιστά τόσο το πλάτος όσο και τη φάση (όπως φαίνετα στην ακόλουθη εικόνα). Είναι η καλύτερη μέθοδος για την επίτευξη της προσφαλματικής τιμής της τάσης και ταιριάζει σε φορτία ευαίσθητα στη φασική μετατόπιση όπως ASDs και φορτία ελεγχόμενα από τις γωνίες έναυσης των θυρίστορς. 31

Διπλωματική Εργασία Κεφάλαιο 2 : Τα βασικά στοιχεία του DVR και η PWM τεχνική Σχ.2.6: Μονοφασικό διανυσματικό διάγραμμα της PDC μεθόδου. Σύμφωνα με την εικονα 8, η φαινόμενη ισχύς του DVR είναι: = + =3 2 cos( ) Και η πραγματική ισχύς του DVR είναι: = 3 ( cos cos ) Το πλάτος και η γωνία της τάσης του DVR είναι: = + = tan 2 sin cos 32 cos( sin cos )

Διπλωματική Εργασία Κεφάλαιο 2 : Τα βασικά στοιχεία του DVR και η PWM τεχνική 2.6.2. ΣΥΜΦΑΣΙΚΗ ΑΠΟΚΑΤΑΣΤΑΣΗ (In-Phase Compensation) Πρόκειται για την πιο «άμεση» και χρησιμοποιούμενη μέθοδο στην οποία η εγχεόμενη DVR τάση είναι σε φάση με την τάση στην πλευρά παροχής ανεξάρτητα από το ρεύμα φορτίου και την προσφαλματική τάση, όπως φαίνεται στο σχήμα 2.7. Η IPC (In-Phase Compensation) μέθοδος είναι κατάλληλη για μικρότερες (σε σχέση με τις άλλες μεθόδους) τάσεις ή μικρότερης ενεργειακής λειτουργίας στρατηγικές. Με άλλα λόγια, η προσέγγιση αυτή ζητά μεγάλα ποσά πραγματικής ισχύος για να επαναφέρει τη βύθιση τάσης, που σημαίνει μία μεγάλης ενεργειακής αποθήκευσης συσκευή. Σχ.2.7: Διάγραμμα Φασόρων της IPC μεθόδου. Η μέθοδος είναι κατάλληλη για φορτία που μπορούν να αντέξουν φασικές μετατοπίσεις, μία τυπική περίπτωση των οποίων είναι οι επαγωγικοί κινητήρες. Αυτοί αποτελούν ένα αρκετά μεγάλο μερίδιο των βιομηχανικών ενεργειακών συστημάτων. Πρόκειται, επίσης, για μία απλή στην εφαρμογή μέθοδο, πολύ γρήγορη ιδίως στον υπολογισμό της DVR τάσης, και γι αυτό το λόγο προτιμάται σε φορτία που αντέχουν τη φασική μετατόπιση. 33

Διπλωματική Εργασία Κεφάλαιο 2 : Τα βασικά στοιχεία του DVR και η PWM τεχνική Σύμφωνα με το σχήμα 2.7, η φαινόμενη ισχύς του DVR είναι: =3 = 3 ( ) Η ενεργός ισχύς του DVR είναι: =3 cos =3 ( ) Το πλάτος και η γωνία της DVR τάσης είναι: = 2.6.3. ΠΡΟΗΓΜΕΝΗ ΣΥΜΦΑΣΙΚΗ = ΑΠΟΚΑΤΑΣΤΑΣΗ (In-Phase Advance Compensation) Η αποκατάσταση πριν τη βύθιση τάσης και η συμφασική αποκατάσταση θα πρέπει να εγχέουν πραγματική ισχύ στα φορτία για να διορθώσουν τη διακύμανση της τάσης. Όμως, το ποσό της πιθανής έγχυσης πραγματικής ισχύος περιορίζεται από την αποθηκευμένη ενέργεια στο DC σύνδεσμο, το οποίο είναι ένα από τα ακριβότερα στοιχεία του DVR. Εξαιτίας του περιορισμού της χωρητικότητας για ενεργειακή αποθήκευση του DC συνδέσμου, ο χρόνος επαναφοράς της τάσης και η απόδοση του DVR περιορίζονται σε αυτές τις μεθόδους. Για την επίτευξη του ελέγχου της ενέργειας έγχυσης, προτείνεται η προηγμένη συμφασική μέθοδος. Η εγχεόμενη πραγματική ισχύς γίνεται μηδέν με την έννοια ότι έχουμε το φάσορα της εγχεόμενης τάσης κάθετο στο φάσορα του ρεύματος φορτίου. Η μέθοδος αυτή μπορεί να μειώσει την κατανάλωση της ενέργειας που είναι αποθηκευμένη στο DC σύνδεσμο εγχέοντας άεργη ισχύ αντί πραγματικής. Μείωση της κατανάλωσης ενέργειας συνεπάγεται, λοιπόν, αύξηση της άμεσης ικανότητας όταν η χωρητικότητα ενεργειακής αποθήκευσης είναι συγκεκριμένη. Από την άλλη, το πλάτος της εγχεόμενης τάσης της προηγμένης συμφασικής μεθόδου είναι 34

Διπλωματική Εργασία Κεφάλαιο 2 : Τα βασικά στοιχεία του DVR και η PWM τεχνική μεγαλύτερο από τα αντίστοιχα των PDC και IPC μεθόδων, και η φασική μετατόπιση μπορεί να προκαλέσει ασυνέχεια σε κυματομορφή τάσης και ταλαντωση στην ισχύ του φορτίου. Γι αυτό, η προηγμένη συμφασική μέθοδος θα πρέπει να ρυθμίζεται στο φορτίο που είναι ανθεκτικό στη φασική μετατόπιση, ή η μεταβατική περίοδος θα πρέπει να λαμβάνεται ενώ η φασική γωνία «μεταφέρεται» από την προσφαλματική γωνία στην προηγμένη γωνία. Εν ολίγοις, η IPAC προηγμένη συμφασική μέθοδος χρησιμοποιεί μόνο άεργη ισχύ και δυστυχώς, δεν μπορούν όλες οι βυθίσεις τάσεις να «θεραπευθούν» χωρίς την έγχυση πραγματικής ισχύος, επομένως, αυτή η μέθοδος είναι κατάλληλη για ένα περιορισμένο εύρος βυθίσεων τάσης 2.7 ΑΝΑΛΥΣΗ ΚΥΚΛΩΜΑΤΟΣ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΑ 2.7.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΟΥΣ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΙΣ Ένα σύνηθες «πρόβλημα» που συναντάμε στα συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας και κυρίως σε συσκεύες όπως ο δυναμικός αποκαταστάτης τάσης είναι η δημιουργία μίας πηγής εναλλασσόμενης τάσης με μεταβλητή συχνότητα και πλάτος. Η λύση στο «πρόβλημα» αυτό δίνεται από τους ηλεκτρονικόυς μετατροπείς ισχύος, διατάξεις που χρησιμοποιούνται για τη μετατροπή της ηλεκτρικής ισχύος από μία μορφή σε μία άλλη. Μία από τις λειτουργίες που επιτελούν είναι η μετατροπή συνεχόυς τάσης σε εναλλασσόμενη. Αυτοί οι ηλεκτρονικοί μετατροπείς ισχύος ονομάζονται αντιστροφείς. Με κριτήριο τον αριθμό των φάσεών τους οι αντιστροφείς μπορούν να κατηγοριοποιηθούν σε: Μονοφασικόυς αντιστροφείς σε συνδεσμολογία ημιγέφυρας (όπου χρειάζονται δύο ελεγχόμενα ημιαγωγικά στοιχεία) ή σε συνδεσμολογία πλήρους γέφυρας (όπου χρειάζονται τέσσερα ελεγχόμενα ημιαγωγικά στοιχεία) 35

Διπλωματική Εργασία Κεφάλαιο 2 : Τα βασικά στοιχεία του DVR και η PWM τεχνική Τριφασικούς αντιστροφείς σε συνδεσμολογία ημιγέφυρας (όπου χρειάζονται έξι ελεγχόμενα ημιαγωγικά στοιχεία δύο για καθεμία από τις τρεις φάσεις) ή σε συνδεσμολογία πλήρους γέφυρας (όπου χρειάζονται δώδεκα ελεγχόμενα ημιαγωγικά στοιχεία τέσσερα για καθεμία από τις τρεις φάσεις). Οι αντιστροφείς που συναντώνται σε εφαρμογές (όπως θα γίνει και στην περίπτωση της παρούσας διπλωματικής) είναι σύνηθες να τροφοδοτούνται από κάποια πηγή συνεχούς τάσης, που προέρχεται από ανορθωτικό σύστημα αποτελούμενο από διόδους ή από θυρίστορ. Ονομάζονται αντιστροφείς πηγής τάσης (VSI Voltage Source Inverters) ή μετατροπείς πηγής τάσης (VSC Voltage Source Converters). Οι αντιστροφείς πηγής τάσης μπορούν να χωριστούν στις παρακάτω τρεις γενικές κατηγορίες: Αντιστροφείς με διαμόρφωση εύρους παλμών (PWM), στους οποίους η συνεχής τάση εισόδου του αντιστροφέα έχει σταθερό πλάτος, ενώ το πλάτος και η συχνότητα της εναλλασσόμενης τάσης εξόδου ελέγχεται με διαμόρφωση του εύρους των παλμών των διακοπτικών στοιχείων του αντιστροφέα. Αντιστροφείς με τετραγωνική κυματομορφή, στους οποίους για τον έλεγχο του πλάτους της εναλλασσόμενης τάσης εξόδου, ελέγχεται το πλάτος της συνεχούς τάσης εισόδου. Έτσι ο αντιστροφέας ελέγχει μόνο τη συχνότητα της τάσης εξόδου. Η εναλλασσόμενη τάση εξόδου έχει μία κυματομορφή παρόμοια με τετραγωνική και γι αυτό το λόγο ονομάζονται αντιστροφείς με τετραγωνική κυματομορφή. Μονοφασικοί αντιστροφείς με απαλοιφή τάσης, στους οποίους είναι δυνατός ο έλεγχος του πλάτους και της συχνότητας της τάσης εξόδου του μετατροπέα, αν και η είσοδος του αντιτροφέα είναι μία σταθερή συνεχής τάση και στους διακόπτες δεν επιβάλλεται διαμόρφωση PWM (η κυματομορφή της τάσης εξόδου είναι σχεδόν τετραγωνική). Επομένως, οι αντιστροφείς αυτοί συνδυάζουν τα χαρακτηριστικά των δύο προηγούμενων αντιστροφέων. 36

Διπλωματική Εργασία Κεφάλαιο 2 : Τα βασικά στοιχεία του DVR και η PWM τεχνική 2.7.2 ΜΟΝΟΦΑΣΙΚΟΙ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΙΣ Στο ακόλουθο σχήμα (σχήμα 2.8) παρουσιάζεται ο αντιστροφέας ημιγέφυρας. Στα άκρα εισόδου συνεχούς τάσης (Vd) συνδέονται σε σειρά δύο ίδιοι πυκνωτές. Το σημείο σύνδεσης των πυκνωτών βρίσκεται στο μισό δυναμικό, οπότε στα άκρα του κάθε πυκνωτή αναπτύσσεται τάση ίση με Vd /2. Σχ.2.8: Μονοφασικός αντιστροφέας ημιγέφυρας. Στο επόμενο σχήμα (σχήμα 2.9) παρουσιάζεται ο αντιστροφέας πλήρους γέφυρας. Αποτελείται από δύο αντιστροφείς ημιγέφυρας και προτιμάται σε διατάξεις με υψηλότερες απαιτήσεις ισχύος καθώς με την ίδια συνεχή τάση εισόδου, η μέγιστη τάση εξόδου του αντιστροφέα πλήρους γέφυρας είναι διπλάσια από αυτή του αντιστροφέα ημιγέφυρας. Αυτό σημαίνει ότι για την ίδια ισχύ, το ρέυμα εξόδου και τα ρεύματα των διακοπτών είναι το μισό εκείνων του αντιστροφέα ημιγέφυρας. 37

Διπλωματική Εργασία Κεφάλαιο 2 : Τα βασικά στοιχεία του DVR και η PWM τεχνική Σχ.2.9: Μονοφασικός αντιστροφέας πλήρους γέφυρας. Οι πιο διαδεδομένες διαμορφώσεις SPWM που μπορούν να εφαρμοστούν σε ένα μονοφασικό αντιστροφέα πλήρους γέφυρας είναι δύο: 1) η διαμόρφωση SPWM με διπολική τάση εξόδου και 2) η διαμόρφωση SPWM με μονοπολική τάση εξόδου. Και οι δύο αυτές διαμορφώσεις θα αναλυθούν σε επόμενο υποκεφάλαιο της παρούσας διπλωματικής εργασίας. 38

Διπλωματική Εργασία Κεφάλαιο 2 : Τα βασικά στοιχεία του DVR και η PWM τεχνική 2.7.3 ΤΡΙΦΑΣΙΚΟΙ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΙΣ Στο επόμενο σχήμα (σχήμα 2.10) φαίνεται ο τριφασικός αντιστροφέας ημιγέφυρας. Αποτελείται από τρεις κλάδους, και κάθε κλάδος είναι ένας μονοφασικός αντιστροφέας. Δηλαδή, ο τριφασικός αντιστροφέας αποτελείται από τρία σκέλη, ενώ η έξοδος κάθε σκέλους εξαρτάται από την τάση εισόδου και την κατάσταση των διακοπτών. Σχ.2.10: Τριφασικός αντιστροφέας ημιγέφυρας. Αν θέλουμε οι τάσεις εξόδου των τριών σκελών (φάσεων) να παρουσιάζουν διαφορά φάσης 120, όπως ένα συμμετρικό τριφασικό σύστημα τάσεων, αυτό θα επιτευχθεί με καθυστέρηση φάσης 120 μεταξύ των παλμών έναυσης του κάθε κλάδου της γέφυρας. Δηλαδή, αν στις 0 είναι ΟΝ διακόπτης ΤΑ+ και για 180 κρατηθεί στην κατάσταση αυτή ενώ από τις 180 μέχρι τις 360 είναι ο διακόπτης Τ Α- ΟΝ, θα πρέπει ο διακόπτης ΤΒ+ να γίνει ΟΝ στις 120 και για διάστημα 180 (δηλαδή να κρατηθεί ΟΝ μέχρι τις 300 ). Εννοείται ότι πριν τις 120 είναι ΟΝ ο διακόπτης ΤΒ- ενώ μετά τις 300 άγει επίσης ο ΤΒ-. Όσον αφορά στους διακόπτες C, ο διακόπτης ΤC+ θα είναι ΟΝ 240 μετά το διακόπτη ΤΑ+ ή αλλιώς θα είναι ΟΝ μέχρι τις 60 ΟΝ (εννοείται πως θα είναι και πριν τις 0, αφού κάθε διακόπτης από κάθε ομάδα άγει για διάστημα 120 ). Το πλάτος των παλμών που προκύπτουν θα είναι φυσικά Vd/2, όπως γνωρίζουμε, επειδή πρόκειται για αντιστροφέα ημιγέφυρας. Οι κυματομορφές της 39

Διπλωματική Εργασία Κεφάλαιο 2 : Τα βασικά στοιχεία του DVR και η PWM τεχνική τάσης εξόδου του τριφασικού αντιστροφέα έξι παλμών τετραγωνικής μορφής δίνονται παρακάτω. Σχ.2.11: Κυματομορφές τάσης στην έξοδο του τριφασικού αντιστροφέα έξι παλμών. Η λειτουργία του αντιστροφέα έχει ως αποτέλεσμα μία εναλλασσόμενη κυματομορφή η οποία όμως δεν είναι ημιτονοειδής. Προκειμένου να φτάσουμε από τους τετραγωνικούς παλμούς στην ημιτονοειδή κυματομορφή είναι απαραίτητη η χρήση 40

Διπλωματική Εργασία Κεφάλαιο 2 : Τα βασικά στοιχεία του DVR και η PWM τεχνική ενός φίλτρου στην έξοδο του αντιστροφέα. Με το φίλτρο αυτό αποκόπτονται οι ανώτερες αρμονικές. Είναι επιθυμητό οι ανώτερες αρμονικές να εντοπίζονται σε υψηλές συχνότητες. Αυτό συνεπάγεται ότι το φίλτρο είναι πιο μικρό σε όγκο, βάρος και κόστος. Για να επιτευχθεί αυτό, θα πρέπει η συχνότητα της τριγωνικής κυματομορφής στην PWM τεχνική να έχει υψηλή συχνότητα συγκριτικά με τη βασική μας αρμονική η οποία είναι στα 50 Hz. Παρακάτω αναλύεται η αναφερθείσα PWM τεχνική. Ο τριφασικός αντιστροφέας πλήρους γέφυρας αποτελείται και αυτός από τρεις κλάδους και κάθε κλάδος αυτού είναι ένας μονοφασικός αντιστροφέας πλήρους γέφυρας των τεσσάρων ελεγχόμενων ημιαγωγικών στοιχείων. Συνολικά χρησιμοποιούνται δώδεκα ελεγχόμενα ημιαγωγικά στοιχεία. Οι διαδεδομένες διαμορφώσεις SPWM που μπορούν να εφαρμοστούν είναι δυο, όπως και στον αντίστοιχο μονοφασικό αντιστροφέα. Αυτή με διπολική τάση εξόδου, κι εκείνη με μονοπολική. Στη διαμόρφωση με διπολική τάση εξόδου τα ζεύγη διακοπτών (ΤΑ+, ΤΒ-) και (ΤΑ+, ΤΒ-) σε κάθε έναν από τους τρεις κλάδους (έστω ότι κάθε κλάδος έχει τους διακόπτες ΤΑ+, ΤΑ-, ΤΒ+, ΤΒ- όπως φαίνονται στο σχήμα 2.9 του μονοφασικού αντιστροφέα) αλλάζουν κατάσταση σαν ζεύγη διακοπτών. Πιο λεπτομερώς, όμως, για την SPWM τεχνική θα αναφερθούμε στο επόμενο υποκεφάλαιο. 2.8 ΑΝΑΛΥΣΗ ΤΗΣ SPWM ΤΕΧΝΙΚΗΣ 2.8.1 Η SPWM ΣΕ ΜΟΝΟΦΑΣΙΚΟ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΑ Ο σκοπός του μονοφασικού αντιστροφέα είναι η παραγωγή μιας ημιτονοειδούς τάσης εξόδου συγκεκριμένου πλάτους και επιθυμητής συχνότητας (π.χ. 50 Hz). Αυτό είναι εφικτό να επιτευχθεί με κατάλληλους παλμούς οδήγησης στους διακόπτες. Οι παλμοί αυτοί προκύπτουν από τη σύγκριση ενός ημιτονοειδούς σήματος στην επιθυμητή συχνότητα (των 50 Hz πχ.) με μία τριγωνική κυματομορφή, όπως φαίνεται παρακάτω. Η συχνότητα της τριγωνικής κυματομορφής, καθορίζει τη διακοπτική συχνότητα 41

Διπλωματική Εργασία Κεφάλαιο 2 : Τα βασικά στοιχεία του DVR και η PWM τεχνική λειτουργίας των ημιαγωγικών στοιχείων του αντιστροφέα και διατηρείται γενικά σταθερή, όπως και το πλάτος της. Πριν την ανάλυση της μεθόδου, καλό είναι να ορίσουμε κάποιους βασικούς συμβολισμούς: fs Διακοπτική συχνότητα,είναι η συχνότητα της τριγωνικής κυματομορφής f1 Συχνότητα διαμόρφωσης, είναι η συχνότητα του σήματος ελέγχου Vtri Πλάτος της τριγωνικής κυματομορφής Vcontrol Πλάτος του σήματος ελέγχου Ma Συντελεστής διαμόρφωσης πλάτους με Mf Συντελεστής διαμόρφωσης συχνότητας με = = Το σήμα ελέγχου vcontrol χρησιμοποείται για τη διαμόρφωση της σχετικής διάρκειας αγωγής, η δε τάση εξόδου του αντιστροφέα δε θα είναι τέλεια ημιτονοειδής κυματομορφή αλλά θα περιέχει κι ανώτερες αρμονικές (αναφερόμαστε πάντα για την τάση μετά το φίλτρο). Στο ακόλουθο σχήμα (σχ. 2.12.a) παρουσιάζεται η διαδικασία σύγκρισης ενός ημιτονοειδούς σήματος ελέγχου με μία τριγωνική κυματομορφή για την επίτευξη της SPWM. Για την καλύτερη κατανόηση της μεθόδου ας αναφερθούμε στον αντιστροφέα ημιγέφυρας του σχήματος 2.8, ο οποίος παρατίθεται ξανα προς διευκόλυνση του αναγνώστη. 42

Διπλωματική Εργασία Κεφάλαιο 2 : Τα βασικά στοιχεία του DVR και η PWM τεχνική Σχ.2.8: Μονοφασικός αντιστροφέας ημιγέφυρας. Οι διακόπτες ΤΑ+, ΤΑ- ελέγχονται με βάση τη σύγκριση των vcontrol και vtri, όπου και προκύπτει η ακόλουθη τάση εξόδου: Αν vcontrol > vtri τότε, ΤΑ+ on, vao = Αν vcontrol < vtri τότε, ΤΑ- on, vao = 43

Διπλωματική Εργασία Κεφάλαιο 2 : Τα βασικά στοιχεία του DVR και η PWM τεχνική Σχ.2.12: Ημιτονοειδής διαμόρφωση εύρους παλμών Εφ όσον οι δύο διακόπτες δεν μπορούν να είναι ταυτόχρονα ανοιχτοί, η τάση εξόδου vao κυμαίνεται μεταξύ /2 και /2. Διαπιστώνουμε, ακόμη, ότι αυξομειώνοντας το συντελεστή διαμόρφωσης πλάτους Μα (από 0 έως 1) μεταβάλλεται αναλογικά και το εύρος των παλμών της κυματομορφής που προκύπτει από τη σύγκριση. Στο σχήμα 2.12..a που φαίνεται μία τέτοια σύγκριση έχουμε Μf = 15 και Μα = 0,8. Επίσης, στο σχήμα 2.12.b φαίνεται η κυματομορφή της τάσης εξόδου του αντιστροφέα, και με διακεκομένη γραμμή η θεμελιώδης συνιστώσα αυτής αφού η τάση εξόδου δεν είναι ημιτονοειδής. Στο ακόλουθο σχήμα (σχήμα 2.13) φαίνεται το φάσμα της vao, όπου σχεδιάζονται οι κανονικοποιημένες αρμονικές (VAo)h / που έχουν σημαντικά πλάτη. 44

Διπλωματική Εργασία Κεφάλαιο 2 : Τα βασικά στοιχεία του DVR και η PWM τεχνική Σχ.2.13: Φάσμα της τάσης εξόδου για αντιστροφέα ημιγέφυρας. Οι ανώτερες αρμονικές της τάσης εξόδου του αντιστροφέα μπορούν να ομοδοποιηθούν σε ζώνες συχνοτήτων, γύρω από τα ακέραια πολλαπλάσια της συχνότητας τριγώνου ή αλλιώς συχνότητας μετάβασης ( fs ). Πιο συγκεκριμένα, η πρώτη ομάδα περιέχει μία κεντρική αρμονική σε συχνότητα fs καθώς επίσης και ένα σύνολο αρμονικών δεξιά κι αριστερά της συχνότητας αυτής που δίνονται από τη σχέση: fν = fs ± 2 n f1 Στη δεύτερη ομάδα, δεν περιέχεται η κεντρική αρμονική σε συχνότητα 2fs, αλλά ένα σύνολο αρμονικών που δίνονται από τη σχέση: fν = 2 fs ± (2n 1) f1 Για την τρίτη ομάδα ισχύει ότι και για την πρώτη, μόνο που η κεντρική αρμονική είναι σε συχνότητα 3fs. Αντίστοιχα στην τέταρτη ομάδα ισχύει ότι και για τη δεύτερη, αλλά με κεντρική συχνότητα 4fs. Αυτή η συλλογιστική ισχύει και για τις υπόλοιπες ομάδες ανώτερων αρμονικών. Συνεπώς, μπορούμε να πούμε ότι οι ανώτερες αρμονικές εμφανίζονται σε συχνότητες που ακολουθούν τη σχέση: fν = n fs ± k f1 45

Διπλωματική Εργασία Κεφάλαιο 2 : Τα βασικά στοιχεία του DVR και η PWM τεχνική όπου, n = 1,2,3, και k = 1,3,5, αν n = άρτιος ή k = 2,4,6, αν n = περιττός. Αυτό που μπορούμε να παρατηρήσουμε είναι ότι δεν εμφανίζονται καθόλου άρτιες κεντρικές αρμονικές αλλα ένα σύνολο αρμονικών παραπλεύρως αυτών που δίνονται από την ανωτέρω σχέση.αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι ο Mf είναι περιττός αριθμός και πιο συγκεκριμένα ισούται με 15. Ακόμη, για το πλάτος της θεμελιώδους συνιστώσας εξόδου ισχύει πως είναι Μα φορές Vd/2. Δηλαδή: (VAo)1 = Μα, για Μα 1 (VAo)1 = Μα, για vcontrol vtri Δηλαδή, όταν 0 < Μα < 1 το πλάτος της θεμελιώδους αρμονικής της τάσης εξόδου μεταβάλλεται γραμμικά με το Μa. Για το λόγο αυτό, η περιοχή του Μa από 0 έως 1 αναφέρεται ως γραμμική περιοχή. Θα πρέπει ακόμη να σημειωθεί ότι η επιλογή της τιμής του συντελεστή διαμόρφωσης πλάτους Μα και του συντελεστή διαμόρφωσης συχνότητας Mf δε γίνεται τυχαία. Όσον αφορά την τιμή του Μα αναφέρθηκε ότι 0 < Μα < 1. Συνήθως επιλέγουμε μία τιμή σ αυτό το διάστημα γιατί η περαιτέρω αύξησή του έχει σαν αποτέλεσμα αυτό που ονομάζουμε υπερδιαμόρφωση, κατά την οποία το πλάτος της θεμελιώδους συνιστώσας δε μεταβάλλεται γραμμικά με το Μα και επιπλέον η τάση εξόδου περιέχει περισσότερες αρμονικές στις πλευρικές ζώνες. Επιπλέον αύξηση στο Μα οδηγεί στη μετάβαση με τετραγωνική κυματομορφή όπου ο αντιστροφέας ρυθμίζει το πλάτος της τάσης εξόδου με ρύθμιση του πλάτους της dc τάσης εισόδου. Αυτά που μόλις αναφέρθηκαν φαίνονται στο ακόλουθο σχήμα: 46

Διπλωματική Εργασία Κεφάλαιο 2 : Τα βασικά στοιχεία του DVR και η PWM τεχνική Σχ.2.14: Έλεγχος της τάσης με μεταβολή του Μα για μονοφασικό αντιστροφέα. Όπως προαναφέρθηκε, ο Μf επιλέγεται περιττός αριθμός γιατί μ αυτόν τον τρόπο οι άρτιες κεντρικές αρμονικές στο φάσμα της τάσης εξόδου του αντιστροφέα δεν εμφανίζονται. Μάλιστα, όσο μεγαλύτερη είναι η τιμή του Μf σε τόσο υψηλότερες συχνότητες τοποθετούνται οι ανώτερες αρμονικές της τάσης εξόδου. Αποτέλεσμα αυτου είναι ένα μικρό και οικονομικό φίλτρο. 47

Διπλωματική Εργασία Κεφάλαιο 2 : Τα βασικά στοιχεία του DVR και η PWM τεχνική Σχ.2.15: Γενικευμένες αρμονικές της VΑο για μεγάλο Μf. Παραπάνω (σχήμα 2.15) φαίνεται ένα πίνακας που αφορά σε ένα μονοφασικό μετατροπέα και δείχνει τα κανονικοποιημένα πλάτη των αρμονικών της τάσης εξόδου καθώς και τις συχνότητες στις οποίες τοποθετούνται σαν συνάρτηση του συντελεστή διαμόρφωσης πλάτους Μα και του συντελεστή διαμόρφωσης συχνότητας Μf. 2.8.1.1 ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗ SPWM ΜΕ ΔΙΠΟΛΙΚΗ ΤΑΣΗ ΕΞΟΔΟΥ Πρόκειται για SPWM διαμόρφωση που αφορά στον αντιστροφέα πλήρους γέφυρας. Ο αντιστροφέας πλήρους γέφυρας απεικονίζεται στο σχήμα 2.9 και παρατίθεται ξανά παρακάτω προς διευκόλυνση του αναγνώστη. Στη συγκεκριμένη διαμόρφωση τα ζεύγη διακοπτών (ΤΑ+, ΤΒ-) και (ΤΑ-, ΤΒ+) από τα δύο σκέλη του σχήματος 2.9 αλλάζουν κατάσταση ως ζεύγη διακοπτών 1 και 2 αντίστοιχα. Με το είδος αυτό της μετάβασης, η κυματομορφή της τάσης εξόδου (σχήμα 2.16) έχει την ίδια μορφή με την έξοδο του βασικού αντιστροφέα ημιγέφυρας (δείτε σχήμα 2.12) και συνεπώς το ίδιο φάσμα (σχήμα 2.13), καθώς η σύγκριση του vcontrol και του vtri γίνεται ακριβώς με 48

Διπλωματική Εργασία Κεφάλαιο 2 : Τα βασικά στοιχεία του DVR και η PWM τεχνική τον ίδιο τρόπο. Η μόνη διαφορά που υπάρχει είναι ότι η μέγιστη τάση εξόδου γίνεται τώρα Vd. Σχ.2.9: Μονοφασικός αντιστροφέας πλήρους γέφυρας. Σχ.2.16: Διαμόρφωση SPWM με διπολική τάση εξόδου. 49

Διπλωματική Εργασία Κεφάλαιο 2 : Τα βασικά στοιχεία του DVR και η PWM τεχνική Η κυματομορφή της τάσης εξόδου φαίνεται στο σχήμα 2.16.b και το πλάτος της θεμελιώδους συνιστώσας της τάσης εξόδου Vo δίνεται από τη σχέση: = Επίσης, στο σχήμα 2.16.b φαίνεται ότι η τάση εξόδου Vo μεταβαίνει μεταξύ των επιπέδω τάσης -Vd και Vd και γι αυτό το λόγο ομονάζεται διαμόρφωση SPWM με διπολική τάση εξόδου. 2.8.1.2.ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗ SPWM ΜΕ ΜΟΝΟΠΟΛΙΚΗ ΤΑΣΗ ΕΞΟΔΟΥ Η διαμόρφωση SPWM με μονοπολική τάση εξόδου αφορά και αυτή στον αντιστροφέα πλήρους γέφυρας. Στη διαμόρφωση αυτή οι διακόπτες στα δύο σκέλη του αντιστροφέα πλήρους γέφυρας (σχήμα 2.9 επισυνάπτεται και στην προηγούμενη σελίδα για διευκόλυνση του αναγνώστη) ελέγχονται ξεχωριστά με σύγκριση της vtri με τα vcontrol και vcontrol αντίστοιχα. Όπως φαίνεται στο σχήμα 2.17, η σύγκριση του vcontrol με την τριγωνική κυματομορφή έχει ως αποτέλεσμα τα ακόλουθα λογικά σήματα για τον έλεγχο των διακοπτικών στοιχείων του σκέλους Α: Αν vcontrol > vtri, τότε ΤΑ+ on, van = Vd Αν vcontrol < vtri, τότε ΤΑ- on, van = 0 Η τάση εξόδου του σκέλους Α του αντιστροφέα σε σχέση με τον αγωγό Ν που φέρει την αρνητική dc τάση φαίνεται στο σχήμα 2.17.b. Για τον έλεγχο των διακοπτών του σκέλους Β, το ( vcontrol) συγκρίνεται με την ίδια τριγωνική κυματομορφή, δίνοντας τα ακόλουθα: Αν (-vcontrol) > vtri, τότε ΤΒ+ on, vbn = Vd Αν (-vcontrol) < vtri, τότε ΤΒ- on, vbn = 0 50

Διπλωματική Εργασία Κεφάλαιο 2 : Τα βασικά στοιχεία του DVR και η PWM τεχνική Σχ.2.17: Διαμόρφωση SPWM με μονοπολική τάση εξόδου. 51

Διπλωματική Εργασία Κεφάλαιο 2 : Τα βασικά στοιχεία του DVR και η PWM τεχνική Από τις κυματομορφές του σχήματος 2.17 είναι εμφανές ότι υπάρχουν τέσσερις συνδυασμόι κλειστών διακοπτών και τα αντίστοιχα επίπεδα τάσης έχουν ως εξής: 1) ΤΑ+, ΤΒ- κλειστοί : van = Vd, vbn = 0 vo = Vd 2) TA-, TB+ κλειστοί : van = 0, vbn = Vd vo = -Vd 3) ΤΑ+, ΤΒ+ κλειστοί : van = Vd, vbn = Vd vo = 0 4) TA-, TB- κλειστοί : van = 0, vbn = 0 vo = 0 2.8.2 Η SPWM ΣΕ ΤΡΙΦΑΣΙΚΟ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΑ Σκοπός του τριφασικού αντιστροφέα στον οποίο εφαρμόζεται η SPWM τεχνική είναι η μορφοποιήση κι ο έλεγχος των τριφασικών τάσεων εξόδου κατά πλάτος και συχνότητα με μία σταθερή τάση εισόδου. Επιπλέον, προκειμένου να επιτευχθούν συμμετρικές τριφασικές τάσεις εξόδου δημιουργούμε κατάλληλους παλμούς οδήγησης. Αυτοί οι παλμοί οδήγησης προκύπτουν από τη σύγκριση της τριγωνικής κυματομορφής με τρεις, πλέον, ημιτονοειδείς τάσεις ελέγχου οι οποίες έχουν διαφορά φάσης 120, όπως ακριβώς και οι επιθυμητές συμμετρικές τριφασικές τάσεις εξόδου. Τα προηγούμενα φαίνονται στο επόμενο σχήμα (σχήμα 2.18). Η συχνότητα των ημιτονοειδών τάσεων ελέγχου (fs) είναι και σε αυτή την περίπτωση η επιθυμητή συχνότητα της τάσης εξόδου του αντιστροφέα, ενώ η συχνότητα της τριγωνικής κυματομορφής (f1) ταυτίζεται με τη διακοπτική συχνότητα ή αλλιώς τη συχνότητα με την οποία αλλάζουν κατάσταση οι διακόπτες. Οι δύο αυτές συχνότητες συνδέονται με την ίδια σχέση με αυτή του μονοφασικού αντιστροφέα, ήτοι: =. Στα επόμενα σχήματα φαίνεται η τριγωνική κυματομορφή ( = 15), οι κυματομορφές των τάσεων ελέγχου για τις τρεις φάσεις των τάσεων εξόδου του αντιστροφέα, οι κυματομορφές των τάσεων εξόδου του αντιστροφέα καθώς και το φάσμα της πολικής τάσης εξόδου αυτού. 52

Διπλωματική Εργασία Κεφάλαιο 2 : Τα βασικά στοιχεία του DVR και η PWM τεχνική Σχ.2.18: (α) Παραγωγή παλμών οδήγησης τριφασικού αντιστροφέα. (β) Αντίστοιχα: Φασική τάση Α, Φασική τάση Β, Πολική τάση ΑΒ. Σχ.2.19: Φάσμα πολικής τάσης αντιστροφέα. 53

Διπλωματική Εργασία Κεφάλαιο 2 : Τα βασικά στοιχεία του DVR και η PWM τεχνική Παρατηρώντας το σχήμα 2.19 του φάσματος των αρμονικών των πολικών τάσεων, φαίνεται ότι σε αυτή την περίπτωση έχουν εξαλιφθεί οι άρτιες αρμονικές εξαιτίας του γεγονότος ότι το είναι περιττός αριθμός. Προκειμένου να επιτευχθεί απαλοιφή των κυριοτέρων αρμονικών στην πολική τάση εξόδου, το επιλέγεται να είναι πολλαπλάσιο του 3. Έτσι, οι περιττές αρμονικές δεν εμφανίζονται. Επίσης, η τιμή του συστήνεται να είναι μεγάλη γιατί έτσι οι ανώτερες αρμονικές τοποθετούνται σε υψηλότερες συχνότητες. Οι φασικές τάσεις εξόδου UAN και UBN που φαίνονται στο σχήμα 2.18, μετρώνται σε σχέση με τον αγωγό που φέρνει την αρνητική dc τάση, και περιέχουν την ίδια ακριβώς συνιστώσα. Οι dc συνιστώσες, προφανώς, απαλείφονται στις πολικές τάσεις (π.χ. UAB). Η τιμή του επιλέγεται μεταξύ των τιμών 0 και 1, δηλαδή: 0 < < 1. Επιλέγεται με αυτό τον τρόπο γιατί τότε βρισκόμαστε στη λεγόμενη γραμμική περιοχή, δηλαδή η θεμελιώδης συνιστώσα της τάσης εξόδου μεταβάλλεται γραμμικά με το λόγο διαμόρφωσης πλάτους. Αν Vd η dc τάση εισόδου του αντιστροφέα, το πλάτος της θεμελιώδους συνιστώσας σε ένα από τα σκέλη του αντιστροφέα είναι: ( ) =. Η ενεργός τιμή της βασικής αρμονικής της πολικής τάσης εξόδου, εξαιτίας της διαφοράς φάσης των 120, μπορεί να γραφεί ως εξής: ( ή ά, )= ( ) = 0.612 Η λειτουργία που επιλέγουμε, κατά κύριο λόγο, είναι στη γραμμική περιοχή. Με την περαιτέρω αύξηση του περνάμε στην περιοχή υπερδιαμόρφωσης στην οποία το πλάτος της τάσης της θεμελιώδους συνιστώσας δεν αυξάνεται πλέον ανάλογα με το. Για αρκετά μεγάλες τιμές του, η SPWM εκφυλίζεται σε τετραγωνική κυματομορφή αντιστροφέα, όπου πλέον ο έλεγχος της τάσης εξόδου επιτυγχάνεται με έλεγχο της dc τάσης εισόδου, κι ο αντιστροφέας ελέγχει μόνο τη συχνότητα της τάσης εξόδου. Αυτό φαίνεται και στο παρακάτω σχήμα όπου παρουσιάζεται η ενεργός τιμή της θεμελιώδους συνιστώσας πολικής τάσης 54 σαν συνάρτηση του.

Διπλωματική Εργασία Κεφάλαιο 2 : Τα βασικά στοιχεία του DVR και η PWM τεχνική Σχ.2.20: Έλεγχος της πολικής τάσης με μεταβολή του για τριφασικό αντιστροφέα. Στον επόμενο πίνακα παρουσιάζονται για διάφορα και οι ενεργές τιμές της θεμελιώδους συνιστώσας και των ανώτερων αρμονικών καθώς επίσης και οι συχνότητες που οι ανώτερες αρμονικές τοποθετούνται. Σχ.2.21: Γενικευμένες αρμονικές της VLL για μεγάλο και περιττό του 3. 55, πολλαπλάσιο

Διπλωματική Εργασία Κεφάλαιο 2 : Τα βασικά στοιχεία του DVR και η PWM τεχνική 56

Διπλωματική Εργασία Κεφάλαιο 3 : Η υλοποίηση του DVR στο πρόγραμμα PSCAD ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3ο : Η ΥΛΟΠΟΙΗΣΗ ΤΟΥ DVR ΣΤΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ PSCAD 3.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Στο συγκεκριμένο κεφάλαιο της παρούσας διπλωματικής εργασίας θα παρουσιαστεί ένα κυκλωματικό μοντέλο του δυναμικού αποκαταστάτη τάσης (DVR) με όλα του τα στοιχεία στο πρόγραμμα PSCAD. Αυτό θα αποτελείται από τις βασικές συνιστώσες του DVR δηλαδή τη μονάδα ενεργειακής αποθήκευσης που θα είναι ένας πυκνωτής τροφοδοτούμενος από τη βασική πηγή με τη βοήθεια του ανορθωτή (γέφυρα διόδων), το κύκλωμα του αντιστροφέα που θα είναι μία δωδεκαπαλμική γέφυρα, τη μονάδα φίλτρου, τους μετασχηματιστές έγχυσης (τρεις στον αριθμό) που θα εγχύουν στο σύστημα την τάση που λείπει, και φυσικά το φορτίο η τάση του οποίου ενδιαφερόμαστε να διατηρείται όσο το δυνατόν σταθερή. Φυσικά θα υπάρχει και η πηγή που θα παρέχει μία συγκεκριμένη τάση στο φορτίο, αλλά και θα τροφοδοτεί τη μονάδα ενεργειακής αποθήκευσης. Όπως προαναφέρθηκε στο κεφάλαιο 2, ο VSC ή αλλιώς ο αντιστροφέας θα πρέπει να αποκαθιστά την τάση σε κάθε φάση ανεξάρτητα εξαιτίας του γεγονότος ότι η πλειονότητα των βυθίσεων τάσης που παρουσιάζονται στα ΣΗΕ είναι ασύμμετρες. Έτσι, η αποκατάσταση της τάσης κάθε φάσης θα γίνεται χωριστά. Η μέθοδος διόρθωσης τάσης που θα χρησιμοποιηθεί είναι η «συμφασική αποκατάσταση» (inphase compensation κεφάλαιο 2) στην οποία η εγχεόμενη DVR τάση είναι σε φάση 57

Διπλωματική Εργασία Κεφάλαιο 3 : Η υλοποίηση του DVR στο πρόγραμμα PSCAD με την τάση στην πλευρά παροχής ανεξάρτητα από το ρεύμα φορτίου και την προσφαλματική τάση. Η παροχή τάσης θα παρασταθεί με μία μη ιδανική τριφασική πηγή εναλλασσόμενης τάσης με συγκεκριμένο πλάτος και συχνότητα, ενώ το φορτίο στο οποίο είναι επιθυμητό να διατηρείται σταθερή η τάση θα παραστασθεί απλοϊκά από μία αντίσταση σε σειρά με μία επαγωγή. Ο έλεγχος θα αναπτυχθεί στο αντίστοιχο υποκεφάλαιο του παρόντος κεφαλαίου και θα γίνει με εφαρμογή της PWM τεχνικής που αναπτύχθηκε στο κεφάλαιο 2. 3.2 ΥΛΟΠΟΙΗΣΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΔΙΑΝΟΜΗΣ ΚΑΙ ΒΑΣΙΚΩΝ ΣΥΝΙΣΤΩΣΩΝ DVR Όπως προαναφέρθηκε, η παροχή τάσης θα παρασταθεί με μία τριφασική ac πηγή. Αυτή θα είναι συχνότητας 50 Hz και τάσεως 7,5 kv (7.5kV L-L,rms). Ολόκληρο το σύστημα θα έχει βάση ισχύος το 1MVA (3 φασικό) και βάση τάσης τα 7,5 kv (πολική). Η χρησιμοποιούμενη τριφασική πηγή και το control panel αυτής φαίνονται παρακάτω: Σχ.3.1: Αναπαράσταση της παροχής τάσης σε ένα δίκτυο διανομής. 58