Harmonikus jelenségek jelenségek. Fázisjavítás j Dr. Dán András egyetemi tanár Budapesti Műszaki és G d á d á i Egyetem Gazdaságtudományi E Villamos Energetika g Tanszék
Harmonikus definíció Periódikus időfüggvény Legyen ω1 az alapharmonikus körfrekvencia a harmonikus függvény körfrekvenciája: h ω1 • h<1,, akkor szubharmonikus • h>1, akkor felharmonikus 2, 33, 4,....stb 4 stb akkor harmonikus • hh=2 • h≠2, 3, 4,....stb, akkor közbenső harmonikus 13-Sep-12
2
Harmonikus definíció • Harmonikusok mérőszámai: – Egyedi E di harmonikus h ik torzítás: t ítá – Feszültségre DU=Uh ⁄ U1 – Áramra DI = Ih ⁄ I1
– Teljes harmonikus torzítás: – Feszültségre
THDU =
∞
2 U ∑ h h=2
U1 ∞
– Áramra
13-Sep-12
THDI =
∑I h=2
I1
2 h
100[%]
100[%] 3
Harmonikus keletkezés • Hol keletkezik a harmonikus G Generátor? á ? Hálózat? Fogyasztó? 13-Sep-12
4
Harmonikus keletkezés • Fogyasztók osztályozása harmonikus keltés szempontjából: – Lineáris fogyasztó – Nemlineáris fogyasztó 13-Sep-12
5
Lineáris fogyasztó • Tápfeszültség: u(t) = Umsinωt • Fogyasztó árama: i(t) = Imsin(ωt±ϕ) • Ábrázolás időtartományban: • Frekvenciatartományban: F k i á b
13-Sep-12
6
Nemlineáris fogyasztó • Tápfeszültség: Tá f ült é u(t) (t) = Umsinωt i t • Fogyasztó gy árama: i(t ) = I m sin(ωt ± ϕ ) + I hm sin(hωt ± ϕh ) • Ábrázolás időtartományban: • Frekvenciatartományban:
13-Sep-12
7
Harmonikus keletkezés Harmonikus áram
Lineáris Linear Passzív Passive Invariáns Invariant
Nonlinear Nemlineáris Load terhelés
harmonikus feszültségtorzulás
13-Sep-12
8
Példák nemlineáris fogyasztókra
13-Sep-12
9
Példák nemlineáris fogyasztókra Hálózati feszültség:
13-Sep-12
10
Példák nemlineáris fogyasztókra gy Fényerőszabályozós halogén lámpa árama:
13-Sep-12
11
Példák nemlineáris fogyasztókra gy Televízió árama:
13-Sep-12
12
Példák nemlineáris fogyasztókra gy Kompakt fénycső árama:
13-Sep-12
13
Példák nemlineáris fogyasztókra gy Mikrohullámú sütő árama:
13-Sep-12
14
Harmonikusok terjedése j
IT IR IS I (R3) = I (R3) IS( 3) = I (R3) ⋅ e − j3⋅120 = I (R3) 13-Sep-12
I (T3) = I (R3) e j3⋅120 = I (R3)
15
Harmonikusok terjedése j
13-Sep-12
16
Harmonikusok terjedése
13-Sep-12
17
Harmonikusok terjedése
Dyn transzformátor gerjesztése y oldalról 3. harmonikus árammal 13-Sep-12
18
Harmonikusok terjedése
13-Sep-12
19
Harmonikusok terjedése
Jósági tényező:
Soros rezonancia RLC körben, k. harmonikusra 13-Sep-12
20
Harmonikusok terjedése
Jósági tényező:
Párhuzamos rezonancia RLC körben, k. harmonikusra 13-Sep-12
21
Harmonikusok terjedése
13-Sep-12
22
Harmonikusok terjedése
f párh
1 ≈ 2π (Ltr + LH + Lk )(C fj + Ck )
f párh
1 ≈ 2π Ltr C fj
Következmény: a harmonikus áram megnő a kondenzátoron k d át é a hálózaton és háló t is. i Rezonancia esetén: L tr 2πf k I = I = Q 0 I k , ahol Q 0 ≈ R tr H k
13-Sep-12
C k
23
Harmonikusok terjedése
13-Sep-12
24
Harmonikusok terjedése
f soros
1 = 2π L fj C fj
!
f soros < f k
13-Sep-12
25
Harmonikusok által okozott zavarok
P /P = 1 + THDI2
Többletveszteség: ver v1 Kábelek, vezetékek többletmelegedése
Megoldás: - harmonikus szűrés - visszaminősítés (keresztmetszet növelése) Transzformátorok túlmelegedése
ffeszültségtorzulás ült é t lá miatt i tt a vas áramtorzulás miatt a tekercs Megoldás mint fent Védelmek hibás működése
(kisautomata “téves oldás”)
13-Sep-12
26
Harmonikusok által okoztott zavarok
Szinkronizálásra érzékeny berendezéseknél hiba a nullátmenet bizonytalansága miatt HKV berendezések zavarása Fázisjavító kondenzátorok túlmelegedése KÖF hálózat hibahelyi maradékáram növelése Postai vonalak zúgászavara g Energiamérők hibás mérése
13-Sep-12
27
Védekezés a harmonikus torzulás ellen • Megelőzés ege ő és – Kis harmonikus torzítású berendezések alkalmazása – Harmonikus csökkentő kapcsolások • Készüléknél alkalmazva • Hálózaton alkalmazva
13-Sep-12
28
Védekezés a harmonikus torzulás ellen • Passzív szűrés
13-Sep-12
29
Védekezés a harmonikus torzulás ellen • Aktív szűrés
13-Sep-12
30
Védekezés a harmonikus torzulás ellen • Aktív + passzív szűrés
13-Sep-12
31
Fázisjavítás Meddőenergia kompenzálás –miért?
1. Műszaki indokok 2 Gazdasági indokok 2. Gyakorlati kérdések
32
1. Műszaki indokok
• A hálózat a kompenzált elosztókig mentesül a meddő energia szállítástól • Vezetékek keresztmetszetek jobb kihasználhatósága • Hálózati l i veszteségekk csökkentése kk
33
1. Műszaki indokok
Összefüggés a tg(ϕ) és a cos(ϕ) között
tg(ϕ)=Q/P 7.00 6.00 5.00 4.00 3.00 2.00 1.00 0.00
0
0.1 34
0.2
0.3
0.4
0.5 cos(ϕ)=P/S
0.6
0.7
0.8
0.9
1
2. Gazdasági indokok
• A villamos energia elosztó hasonló műszaki okok miatt próbálja óbálj gazdaságilag d á il ösztönözni ö ö ö i fogyasztóit f ói a csökkentett meddő energia fogyasztásra. • Megengedett meddőenergia fogyasztás kisfeszültségen a hatásos fogyasztás 25%-a, a többlet meddő fogyasztás díja 4.1 Ft/kvarh g csökkentése • Hálózati veszteségek • Beruházási költségek megtérülési ideje átlagosan 8-12 hónap 35
2. Gazdasági indokok Fogyasztási adatok alapján történő fázisjavító berendezés méretezés – QC (kvar)
M 50000 tg( ϕ ) = = = 0 .5 W 100000
Q C = PMAX
Q M = = 50 % P W
Q * ( − 0.25) 0 25) * 1.1 11 P
Q C = 100kW * ((0.5 − 0.25)) * 1.1 = 27.5kvar PMAX – Havi csúcsteljesítmény (kW) W - Havi hatásos villamos energia fogyasztás (kWh) M - Havi H i iinduktív d ktí meddő ddő energia i fogyasztás f tá (kvarh) (k h) 36
3. Gyakorlati kérdések • Kondenzátorok túlterhelhetősége, élettartama:
– Feszültség: 1.1*U 1 1*Un – Áram: 1.3*In (harmonikussokkal együtt) – É Élettartam: általában minimum100000 h – Éves kapcsolási szám 5000 db – Hőmérséklet osztályok Hőmérséklet osztály
Max. környezeti hőmérséklet
Max. 24 órás átlag hőmérséklet
Max. éves átlag hőmérséklet
B
45 °C
35 °C
25 °C
C
50 °C
40 °C
30 °C
D
55 °C
45 °C
35 °C
37
3. Gyakorlati kérdések
• Kondenzátorok meghibásodásainak okai: – Magas üzemi hőmérséklet – Magas harmonikus tartalom (kondenzátor melegedéséhez vezet) – Nagy N kkapcsolási lá i gyakoriság k iá – Rosszul megválasztott g kisütő ellenállás alkalmazása – Hálózat felől érkező nagymértékű letörések (tranziens lengés)
38
3. Gyakorlati kérdések
• Kondenzátorok meghibásodásainak okai: – Az automatikus berendezésekben általában az első pár fokozat meghibásodási p g gyakorisága gy g a nagy gy – Kondenzátorok elhelyezése (vízszintes, függőleges) – Magas M hharmonikus ik ttartalom t l esetén té a várható á h tó élettartam fojtás nélküli kondenzátorok esetében 35 év, vagy kevesebb
39
3. Gyakorlati kérdések
• Zárlat védelem: 400V-on a 3 fázisú kondenzátorok névleges árama kb. 1.44 * „kvar” – tehát egy gy 10 kvar-os kondenzátor névleges árama 14.4 A/fázis A biztosító betét értéke 2 * „kvar” – tehát 10 kvar-os egység védelme 20 A/fázis (lomha)
40
3. Gyakorlati kérdések
• Kondenzátorok kapcsolása: –Mágneskapcsoló: Mágneskapcsoló: • Bekapcsolási pillanatban működő csillapító ellenállás • Áramlökés korlátozó képesség < 70xIn • Kapcsolási gyakoriság 25-30 sec (élettartam)
–Tirisztor: Tirisztor: • Kapcsolás feszültség különbség minimumban • Kapcsolási K lá i gyakoriság k i á 40-60 40 60 ms • Nincs mozgó alkatrész 41
3. Gyakorlati kérdések
•Szabályozás –Meddő igény alapján végzett szabályozás ( gy (hagyományos) y ) –Meddő igényre szabályozás figyelembe véve a hálózat paramétereit (harmonikus tartalom) –Kondenzátor telepek egyenletes terhelése (kapcsolások száma, száma és üzemidő figyelembe vétele)
42
3. Gyakorlati kérdések • Fojtott kondenzátortelepek –Fojtási tényező „p”
UC =
Un p ⎞ ⎛ ⎜1 − ⎟ ⎝ 100 ⎠
2
⎛ ω1 ⎞ ⎛ f1 ⎞ XL ω1 L 2 [% ] = 1 = ω1 LC = ⎜⎜ ⎟⎟ = ⎜⎜ ⎟⎟ p = 100 * XC ⎝ ω0 ⎠ ⎝ f0 ⎠ ω1C
2
Fojtási j tényező „p”
Rezonancia frekvencia fr; fN=50 Hz
Kondenzátoron mérhető feszültség UC
5.67 %
210 Hz
424 V
7%
189 Hz
430 1 V 430.1
14 %
134 Hz
465.1 V
43
3 Gyakorlati kérdések 3. Fázisjavító berendezés kiválasztásához 1. Határozza meg a szükséges meddő teljesítmény értékét (kvar), válassza ki a kívánt cosϕ eléréséhez szükséges kondenzátor mennyiséget. 2. Tervezze meg a kondenzátorok fokozatkiosztását oly módon, hogy az érzékenység az összteljesítmény 10-15% 10 15% körül legyen. legyen A nagyon érzékeny fokozatkiosztás (5-8%) nem hasznos, mert ez túl sok kapcsoláshoz vezetne, ami feleslegesen terheli a berendezést. 3. Próbálja ó á ú úgy tervezni a kondenzátor á f fokozatot hogy az szabványos á kvar érték legyen és annak többszörösei. (Pl.: 2.5+5+10+… vagy 6.25+12.5+25+50+…) 4. Mérje meg a főbetáplálási ponton az áram harmonikus tartalmat kondenzátorok nélkül minden üzemállapotban. 44
3 Gyakorlati kérdések 3. 5. Mérje j meg g a feszültség g harmonikus tartalmat. 6. Ha az eredő harmonikusok közül a THD-I > 10-15% (kondenzátor nélkül mérve)? (külső hálózati rezonancia) • Ha igen akkor alkalmazzon fojtott fázisjavító berendezést • Ha nem akkor alkalmazhat hagyományos fázisjavító berendezést, de ellenőrizze le a többi pontot is. 7 Fojtás igénye esetén 7. • Ha a 3. áram harmonikus I3 > 0.2*I5, THD-I < 20-25 % • Ha igen akkor alkalmazzon 14%-osan fojtott fázisjavító berendezést • Ha nem akkor alkalmazzon 7%-osan fojtott fázisjavító berendezést 8. Ha a THD-U: • <5% akkor alkalmazza a megfelelő fázisjavító berendezést • >5% akkor speciális felharmonikus szűrő 45
3 Gyakorlati kérdések 3.
Fojtott fázisjavító vagy passzív/aktív szűrő? A fogyasztó mennyi harmonikust táplálhat vissza a hálózatba?
46
