Ποιότητα Ηλεκτρικής Ενέργειας Φίλτρα Αρµονικών Ρεύµατος
Γενικά Προβλήµατα που δηµιουργούν οι αρµονικές Μείωση του cosφ Αυξηµένες απώλειες στα καλώδια Συντονισµός-Καταστροφή πυκνωτών και µετασχηµατιστών Αρµονική παραµόρφωση τάσης-αύξηση απωλειών σε κινητήρες Παρεµβολές σε κυκλώµατα ελέγχου και τηλεπικοινωνιών Συχνότητα συντονισµού Όρια αρµονικής παραµόρφωσης Αντιµετώπιση των προβληµάτων που δηµιουργούν οι αρµονικές Κόστος φίλτρων Φίλτρα αρµονικών Υπηρεσίες που προσφέρει η Alteren Κατασκευή φίλτρων από την Alterco
Γενικά Ο τεχνολογικός εκσυγχρονισµός έχει σαν αποτέλεσµα την αυξανόµενη χρήση ηλεκτρονικών συστηµάτων ισχύος και ελέγχου τόσο στην βιοµηχανία όσο και στον τριτογενή τοµέα της οικονοµίας. Τα ηλεκτρονικά συστήµατα ισχύος λειτουργούν σαν µη γραµµικά ηλεκτρικά φορτία. Χαρακτηριστικό των µη γραµµικών ηλεκτρικών φορτίων είναι η δηµιουργία αρµονικών ρεύµατος. Έτσι το ρεύµα των φάσεων δεν είναι ηµιτονοειδούς µορφής αλλά παραµορφωµένο. Τα µη γραµµικά φορτία λειτουργούν σαν πηγές ρεύµατος οι οποίες εκτός της βασικής αρµονικής (50 Ηz), παράγουν και ανώτερες αρµονικές, δηλαδή την 2 η (100 Ηz), την 3 η (150 Hz), την 4 η (200 Ηz), κ.ο.κ. Η παραµόρφωση του ρεύµατος ορίζεται από την σχέση h= 2 2 Ih THDi = 100% I1 όπου I h, είναι η rms τιµή της αρµονικής ρεύµατος τάξης h, I 1, είναι η rms τιµή του ρεύµατος της πρώτης (βασικής) αρµονικής Συνηθισµένα µη γραµµικά φορτία είναι Οι ρυθµιστές στροφών κινητήρων Ηλεκτροσυγκολλήσεις Ανορθωτές UPS Ηλεκτρονικά ballast Λαµπτήρες εκκένωσης Τροφοδοτικά υπολογιστών Επαγωγικοί φούρνοι Στον παρακάτω πίνακα παρουσιάζεται η κυµατοµορφή και η αρµονική παραµόρφωση για διάφορα είδη φορτίων.
Τύπος φορτίου Τυπική κυµατοµορφή Παραµόρφωση ρεύµατος, THD i Μονοφασικό τροφοδοτικό 80% (υψηλή 3 η αρµονική) Ηµιανορθωτής Υψηλή 2 η,3 η, 4 η σε µερικό φορτίο Ανορθωτής 6 παλµών, µε χωρητική εξοµάλυνση, χωρίς πηνίο σειράς 80% Ανορθωτής 6 παλµών, µε χωρητική εξοµάλυνση, µε πηνίο σειράς > 3%, ή τροφοδοσία dc κινητήρα 40% Ανορθωτής 6 παλµών, µε µεγάλο πηνίο για εξοµάλυνση ρεύµατος 28% Ανορθωτής 12 παλµών 15% Ρυθµιστής ac τάσης Ανάλογα µε την γωνία έναυσης Λαµπτήρες φθορισµού 17% Κάθε µη γραµµικό φορτίο δεν παράγει όλo το εύρος των αρµονικών. Οι συνηθέστερες αρµονικές είναι οι περιττές (3 η, 5 η, 7 η, κλπ).
Οι αρµονικές ρεύµατος σε συνδυασµό µε τις σύνθετες αντιδράσεις των καλωδίων δηµιουργούν αρµονική παραµόρφωση της τάσης. Εάν η τάση παραµορφωθεί, τότε ακόµη και γραµµικά φορτία θα απορροφούν παραµορφωµένο ρεύµα. Προβλήµατα που δηµιουργούν οι αρµονικές Μείωση του cosφ Αυξηµένες απώλειες στα καλώδια Συντονισµός-Καταστροφή πυκνωτών και µετασχηµατιστών Αρµονική παραµόρφωση τάσης-αύξηση απωλειών σε κινητήρες Παρεµβολές σε κυκλώµατα ελέγχου και τηλεπικοινωνιών Μείωση του cosφ Αυξηµένες απώλειες στα καλώδια Όπως είναι γνωστό οι αρµονικές του ρεύµατος δεν µεταφέρουν ενεργό ισχύ αλλά συντελούν στην αύξηση της άεργης ισχύος. Αυτό συνεπάγεται µεγαλύτερο ρεύµα για µία δεδοµένη ενεργό ισχύ. Έτσι οι αρµονικές αυξάνουν τις απώλειες ενέργειας στα καλώδια, και στους µετασχηµατιστές. Συντονισµός-Καταστροφή πυκνωτών και µετασχηµατιστών Οι πυκνωτές αντιστάθµισης σε συνδυασµό µε τις αυτεπαγωγές σκέδασης κυρίως των µετασχηµατιστών αλλά και των καλωδίων δηµιουργούν παράλληλα LC κυκλώµατα. Το παράλληλο LC κύκλωµα έχει µία συχνότητα συντονισµού. Εάν ένα τέτοιο κύκλωµα τροφοδοτηθεί µε ρεύµα συχνότητας ίσης µε την συχνότητα συντονισµού του τότε το κύκλωµα συντονίζεται µε θεωρητικό αποτέλεσµα την δηµιουργία άπειρης τάσης στους ακροδέκτες του κυκλώµατος (στην συγκεκριµένη περίπτωση στους ακροδέκτες των πυκνωτών και των µετασχηµατιστών) και πολύ µεγάλα ρεύµατα τα οποία κυκλοφορούν µέσα στον βρόγχο πυκνωτής-µετασχηµατιστής. Στην πράξη όµως ο συντονισµός δεν είναι τέλειος λόγω των ωµικών αντιστάσεων τόσο του µετασχηµατιστή όσο και των καλωδίων αλλά και επειδή είναι σπάνιο να υπάρχουν τα ακριβή µεγέθη πυκνωτή και µετασχηµατιστή τα οποία θα συντονισθούν ακριβώς σε κάποια ακέραιη αρµονική ρεύµατος. Πάντως, όσο πιο κοντά στην συχνότητα συντονισµού βρίσκεται το ρεύµα του µη γραµµικού φορτίου τόσο µεγαλύτερη είναι η ενίσχυσή του στο εσωτερικό του κυκλώµατος LC. Αυτό µπορεί να συµβεί στην πράξη και έχει ως αποτέλεσµα την κυκλοφορία µεγάλων ρευµάτων στους πυκνωτές αντιστάθµισης και στους µετασχηµατιστές και εποµένως την υπερφόρτιση έως και την καταστροφή τους. Αρµονική παραµόρφωση τάσης-αύξηση απωλειών σε κινητήρες Οι αρµονικές ρεύµατος καθώς ρέουν στα καλώδια δηµιουργούν αντίστοιχες πτώσεις τάσης. Εάν η σύνθετη αντίδραση του καλωδίου είναι µεγάλη τότε δηµιουργείται και
παραµόρφωση της τάσης µε αρµονικές. Αυτή η παραµορφωµένη τάση επιβάλλεται και σε γραµµικά φορτία όπως οι κινητήρες. Σε αυτές τις περιπτώσεις αυξάνονται οι απώλειες σιδήρου των κινητήρων. Επιπλέον ορισµένες αρµονικές όπως η 3 η, 5 η, 8 η, 11 η, 14 η 17 η, κλπ, δηµιουργούν αντίστροφα στρεφόµενο µαγνητικό πεδίο στους κινητήρες µε αποτέλεσµα να δηµιουργούνται αντίστροφες ροπές σε αυτούς το οποίο ισοδυναµεί µε πέδησή τους. Αυτά γίνονται αντιληπτά σαν υπερθέρµανση των κινητήρων η οποία βαθµιαία οδηγεί σε γήρανση της µόνωσής των και τελικά συχνή αλλαγή της. Παρεµβολές σε κυκλώµατα ελέγχου και τηλεπικοινωνιών Σε ορισµένες περιπτώσεις η παραµόρφωση της τάσης µπορεί να επεκταθεί µέχρι και το σηµείο σύνδεσης της βιοµηχανίας µε την ΕΗ οπότε ενδεχοµένως να υπάρχουν ανάλογες κυρώσεις για µόλυνση του δικτύου. Σύµφωνα µε την οδηγία 120 της ΕΗ η ανοχή στην παραµόρφωση της τάσης µπορεί να είναι από 0.5%-6% αναλόγως του µεγέθους της αρµονικής. Οι αρµονικές µεγάλης συχνότητας δηµιουργούν προβλήµατα ηλεκτροµαγνητικών παρεµβολών σε δίκτυα τηλεπικοινωνιών και ειδικά σε βιοµηχανικούς χώρους στην λειτουργία των διαφόρων ηλεκτρονικών συστηµάτων ελέγχου (προβλήµατα στα PLC, λανθασµένες εντολές ελέγχου, κλπ). Αυτό έχει σαν αποτέλεσµα την αύξηση των νεκρών χρόνων από δυσλειτουργία των ηλεκτρονικών συστηµάτων και εποµένως αύξηση του κόστους συντήρησης. Συχνότητα συντονισµού Το παρακάτω διάγραµµα δείχνει την κατά προσέγγιση συχνότητα συντονισµού (σαν πολλαπλάσιο των 50 Hz) για διάφορες τιµές της συνολικής χωρητικής αντιστάθµισης (σε βήµατα των 50 kvar) και για µετασχηµατιστή 2000 kva.
Συχνότητα συντονσµού, k*50 Hz 27 25 23 21 19 17 15 13 11 9 7 5 3 1 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900 950 1.000 1.050 1.100 1.150 1.200 1.250 1.300 1.350 kvar, πυκνωτών αντιστάθµισης στα 50 Hz, 400 V Είναι φανερό από το παραπάνω γράφηµα ότι για 1350 kvar έχουµε συντονισµό στην 5 η αρµονική, για 700 kvar, έχουµε συντονισµό στην 7 η αρµονική, για 400 kvar, έχουµε συντονισµό στην 9 η αρµονική, για 300 kvar, έχουµε συντονισµό στην 11 η αρµονική, για 200 kvar, έχουµε συντονισµό στην 13 η αρµονική, για 150 kvar, έχουµε συντονισµό στην 15 η αρµονική. Αυτό είναι απλώς ένα παράδειγµα εφόσον ο µετασχηµατιστής είναι 2000 kva. Για άλλους µετασχηµατιστές προκύπτουν διαφορετικές τιµές. Εµφανές αποτέλεσµα των καταστάσεων συντονισµού είναι η συνεχής καταστροφή των πυκνωτών ή η λειτουργία της προστασίας τους (ασφάλειες) χωρίς να υπάρχει βραχυκύκλωµα. Όρια αρµονικής παραµόρφωσης Λόγω των ανωτέρω προβληµάτων έχει δηµιουργηθεί το πρότυπο ΙΕΕΕ-519 το οποίο έχει εφαρµογή στις Η.Π.Α. και καθορίζει τα παρακάτω όρια αρµονικών ρεύµατος στο σηµείο σύνδεσης µίας βιοµηχανίας µε την αντίστοιχη ΕΗ. Επιτρεπτά όρια αρµονικών ρεύµατος (σαν ποσοστό της βασικής αρµονικής) για τάση τροφοδότησης V n 69 kv I sc /I L h<11 11 h <17 17 h <23 23 h <35 35 h TDD <20 4.0 2.0 1.5 0.6 0.3 5.0 20-50 7.0 3.5 2.5 1.0 0.5 8.0 50-100 10.0 4.5 4.0 1.5 0.7 12.0 100-1000 12.0 5.5 5.0 2.0 1.0 15.0 >1000 15.0 7.0 6.0 2.5 1.4 20.0 h: είναι η τάξη της αρµονικής I L : είναι το µέσο µέγιστο ρεύµα που απορροφά ή βιοµηχανία
I sc : είναι το ρεύµα βραχυκύκλωσης στο σηµείο σύνδεσης της βιοµηχανίας µε το ηλεκτρικό δίκτυο. I 2 h h= 2 TDD = 100% I L Το πρότυπο ΙΕΕΕ-519 καθορίζει επίσης όρια και στην αρµονική παραµόρφωση της τάσης στο σηµείο σύνδεσης. Τάση τροφοδότησης Όριο αρµονικής παραµόρφωσης της τάσης για κάθε αρµονική Όριο συνολικής αρµονικής παραµόρφωσης της τάσης V n 69 kv 3% 5% Στην Ευρώπη ισχύει το πρότυπο IEC 1000-3-2 Disturbances in supply systems caused by household appliances an similar electrical equipment, Part 2: Harmonics. Όπως είναι φανερό το πρότυπο αναφέρεται σε συσκευές µικρής ισχύος (µέχρι 16 Α, 3,7 kva µονοφασικά, ή 11 kva τριφασικά). Το πρότυπο δεν καθορίζει όρια σε επίπεδο βιοµηχανίας. Αντιµετώπιση των προβληµάτων που δηµιουργούν οι αρµονικές Η αντιµετώπιση του προβλήµατος των αρµονικών ρεύµατος γίνεται µε την εγκατάσταση κατάλληλων φίλτρων. Τα φίλτρα διακρίνονται σε δύο κατηγορίες: τα ενεργά φίλτρα και τα παθητικά φίλτρα. Τα ενεργά φίλτρα είναι ιδιαίτερα αποδοτικά στην αντιµετώπιση των αρµονικών αλλά έχουν πολύ µεγάλο κόστος. Τα παθητικά φίλτρα απαιτούν προσεκτικό σχεδιασµό για να γίνουν αποτελεσµατικά αλλά έχουν µικρότερο κόστος. Η επιλογή του τύπου του φίλτρου, του µεγέθους του και της συνδεσµολογίας, γίνεται µετά από µετρήσεις αρµονικών ρεύµατος και τάσης στα διάφορα φορτία της εγκατάστασης. Επιπλέον απαιτούνται υπολογισµοί, και σε ορισµένες περιπτώσεις ακόµη και προσοµοίωση του ηλεκτρικού δικτύου της εγκατάστασης µε ειδικό λογισµικό. ιαφορετικά είναι πολύ πιθανόν να οδηγηθεί κάποιος σε καταστροφή των ίδιων των φίλτρων λόγω υπερφόρτισής τους. Τόσο τα ενεργά όσο και τα παθητικά φίλτρα συµβάλουν και στην αντιστάθµιση της άεργης ισχύος. Κόστος φίλτρων Το κόστος της επίλυσης του προβλήµατος των αρµονικών καθορίζεται από το εάν είναι επιθυµητά ένα ή περισσότερα από τα παρακάτω: 1. Εξάλειψη του συντονισµού. 2. Μείωση των απωλειών στους µετασχηµατιστές και τα καλώδια. 3. Αντιστάθµιση της άεργης ισχύος.
Εφόσον τα φίλτρα σχεδιασθούν και για τους τρεις ανωτέρω παράγοντες, ο χρόνος απόσβεσης της απαιτούµενης επένδυσης είναι µικρότερος από τρία χρόνια. Η επιλογή των φίλτρων για έναν µόνο από τους ανωτέρω παράγοντες έχει µικρότερο αρχικό κόστος επένδυσης αλλά και µεγαλύτερο χρόνο απόσβεσης της επένδυσης. Φίλτρα αρµονικών Τα παρακάτω σχήµατα δείχνουν ορισµένες από τις πιθανές λύσεις. Παθητικό φίλτρο παράλληλα µε το µη γραµµικό φορτίο. Ενεργό φίλτρο παράλληλα µε το µη γραµµικό φορτίο. Ενεργό και παθητικό φίλτρο παράλληλα µε το µη γραµµικό φορτίο. Ενεργό φίλτρο εν σειρά και παθητικό φίλτρο παράλληλα µε το µη γραµµικό φορτίο.
Υπηρεσίες που προσφέρει η Alteren Η Alteren µπορεί να αναλάβει την επίλυση προβληµάτων τα οποία δηµιουργούν οι αρµονικές σε βιοµηχανίες και σε εφαρµογές του τριτογενούς τοµέα. Για την επίλυση του προβλήµατος γίνονται αναλυτικές µετρήσεις µε ιδιόκτητα όργανα της εταιρείας και στην συνέχεια προτείνονται λύσεις οι οποίες αντιµετωπίζουν ένα ή περισσότερα από τα παρακάτω: Αποφυγή συντονισµών. Μείωση των απωλειών. Αντιστάθµιση άεργης ισχύος. Ενδεικτικά βιοµηχανίες στις οποίες έχουν γίνει µετρήσεις, ανάλυση αρµονικών και προτάσεις για την επίλυση των προβληµάτων είναι: Βαρβαρέσος Α.Ε. Ευρωπαϊκά Νηµατουργία Επίλεκτος Κλωστοϋφαντουργία Α.Ε. Κλωστήρια Ναούσης Α.Ε. Ελληνική Υφαντουργία Α.Ε. Κατασκευή φίλτρων από την Alterco Η Alterco µπορεί να κατασκευάσει και εγκαταστήσει παθητικά φίλτρα ισχύος από 5 kvar έως και εκατοντάδων kvar, σταθερά ή ρυθµιζόµενα σε βήµατα. Οι συχνότητες συντονισµού των φίλτρων καθορίζονται από την συγκεκριµένη εφαρµογή. Τα φίλτρα οµαδοποιούνται σε δύο κατηγορίες: τα τοπικά και τα κεντρικά φίλτρα. Τοπικά Φίλτρα Τοπικό φίλτρο το οποίο εγκαθίσταται σε µηχανή µε µη γραµµικό φορτίο. Το φίλτρο παρέχει και τοπική αντιστάθµιση άεργης ισχύος (βελτιώνει το τοπικό cosφ) και απορροφά µέρος ή σύνολο των αρµονικών. Αυτά τα φίλτρα είναι σταθερά, και ακολουθούν την λειτουργία της αντίστοιχης µηχανής, δηλαδή ενεργοποιούνται και απενεργοποιούνται αντίστοιχα µε την µηχανή. To φυσικό µέγεθος ενός φίλτρου π.χ. 5 kvar, 7%, είναι 450x600x270 mm και φαίνεται στην παραπάνω εικόνα. Είναι προφανές ότι µία τέτοια κατασκευή µπορεί να εγκατασταθεί επάνω σε µία µηχανή. Κεντρικά φίλτρα Εγκαθίστανται σε µερικούς ή γενικούς ηλεκτρικούς πίνακες και ελέγχουν τις αρµονικές και την άεργο ισχύ του φορτίου του πίνακα. Τα φίλτρα αυτά µπορεί να είναι ρυθµιζόµενα όσον αφορά την ισχύ τους. Η ρύθµιση της ισχύος τους γίνεται µε κοινούς ρυθµιστές cosφ µε στόχο την επίτευξη cosφ µεγαλύτερου του 0,97 στον αντίστοιχο πίνακα.